Tính toán thiết kế máy cán

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG - Tinh hình nghiên cứu thiết kế máy cán trên thế giới và trong nước.. THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG- Theo số g

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

LỜI NÓI ĐẦU

Cán kim loại khác là phương pháp gia công bằng áp lực, còn gọi làgia công không phoi Khác với gia công có phoi như cắt gọt kim loại trêncác máy tiện - phay - bào - khoan - khoét - doa - mài Khi gia công áplực dùng một lực rất mạnh tác dụng vào phôi kim loại buộc nó biến dạngtheo hình dạng và kích thước mong muốn Để làm được điều đó phải có cácthiết bị cán kim loại (máy cán)

Cùng với sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp trong cả nước,ngành công nghiệp luyện kim hiện đang được chú trọng Trong ngành côngnày kim thì cán kéo kim loại là một trong những khâu quan trọng để tạo rathành phẩm và bán thành phẩm phục vụ cho các ngành công nghiệp khác

Từ lâu trên thế giới đã xuất hiện các sản phẩm sử dụng phương pháp tạohình bằng cán nguội, phương pháp này đã du nhập vào nước ta đế cán ra các

sản phẩm từ tôn tấm như thép định hình chữ u, chữ z, tấm lợp kim loại Thiết bị cán nguội thường gồm nhiều cặp trục cán đặt liên tiếp nhau, phôiđược dẫn động nhờ lực ma sát (tạo ra khi các trục quay), sản phẩm tạo hìnhtheo yêu cầu với chiều dày không đổi

Hiện nay cùng với sự phát triển cơ sở hạ tầng đô thị và khu côngnghiệp tập trung, các con đường hiện đại xuất hiện ngày một nhiều nên cầnmột khối lượng lớn tấm chắn xô để làm dải phân cách Do đó, đòi hỏi cácthiết bị cán tôn định hình đảm bảo được sản lượng và chất lượng tấm chắn

xô ngày một nâng cao

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

- Tinh hình nghiên cứu thiết kế máy cán trên thế giới và trong nước

- Nhu cầu thị trường, so sánh và lựa chọn sản phẩm

Chương 2 Cơ sở lý thuyết về cán kéo kim loại

Chương 3 Tính toán thiết kế máy cán

Hà Nội, ngày 28 tháng 5 năm 2004

Sinh viên thực hiện

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Chương I

TỔNG QUAN

1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN cứu THIẾT KÊ CHÊ TẠO MÁY CÁN

TRÊN

THÊ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC

Máy cán trên thế giới lúc đầu chỉ có hai trục quay ngược chiều nhauvới những sản phẩm đơn giản nhu gươm, dao Năm 1864, chiếc máy cán

ba trục đầu tiên ra đời chạy bằng máy hơi nước và cho ra sản phẩm thép tấm

và thép hình, đồng tấm và dây đồng Do kỹ thuật ngày càng phát triển, donhu cầu về vật liệu thép tấm phục vụ cho các ngành công nghiệp nhẹ, chếtạo xe lửa mà công nghệ chế tạo máy cán tăng nhanh chóng Chiếc máycán với giá cán bốn trục ra đời vào năm 1870, rồi đến các máy cán với giá

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Hình 1.1 Hình phối cảnh giá cán tấm 4 trục của hãng SMS (Đức)

Trước năm 1954, các loại thép tại Việt Nam hầu như nhập từ Pháp

về, sau 1954 thì nhập thép từ Liên Xô (cũ), Trung Quốc và các nước Đông

Âu Đến năm 1975, nhà máy cán thép Gia Sàng (Thái Nguyên) được đưavào hoạt động Từ đó đến nay, ngành cán thép đã được tạo đà phát triểnmạnh Các xí nghiệp liên doanh cán thép giữa Việt Nam và nước ngoài đãhình thành từ Bắc đến Nam như: Công ty thép Việt-Úc VINAUSTEEL ởHải, Công ty thép Việt - Nhật ở Vũng Tàu, Công ty thép ống VINAPIE ởHải Phòng liên doanh giữa Việt Nam và Hàn Quốc v.v

Nước ta hiện nay đang bước vào thời kỳ công nghiệp hóa - hiện đạihóa nên nhu cầu về thép trong xây dựng và cơ khí là rất lớn Nhiều nhà máycán thép đã được thành lập trong những năm gần đây Năm 2003, nhà máycán thép Việt - Ý tại khu công nghiệp Phố Nối A (Hưng Yên) với tổng vốnđầu tư 125 tỷ đồng, công suất 126.000 tấn thép/năm đã chính thức đi vàohoạt động Ngày 11/4/2003, tại Đông Hà (Quảng Trị) đã khởi công xâydựng nhà máy cán thép chất lượng cao COSEVCO với công suất giai đoạn 1

là 250.000 tấn sản phẩm/năm, với tổng mức vốn đầu tư hơn 254 tỷ đồng.Tháng 12/2003, công ty thép Bluescope Việt Nam đã khởi công nhà máythép hiện đại đạt tiêu chuẩn quốc tế tại khu công nghiệp Phú Mỹ 1, tỉnh BàRịa - Vũng Tàu, với tổng diện tích 12.000ha, tổng số vốn đầu tư 105 triệuUSD Nước ta có rất nhiều nhà máy cán thép làm ăn không hiệu quả

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

- Theo số giá cán trong máy cán

- Theo số trục cán có trong giá cán

- Theo cỡ kích thước của sản phẩm

Phân xưởng cán được phân loại:

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Máy cán bố trí theo hàng có các giá cán bố trí thành một hay nhiềuhàng ngang, các máy cán được dẫn động chung bằng một động cơ hoặc dẫnđộng riêng biệt tùy theo ý đồ công nghệ (hình 1.4) Để tiết kiệm diện tíchmặt bằng của xưởng cán, máy cán có thể bố trí theo hình z (hình 1.5) - bốtrí này được dùng ở nhà máy cán thép Gia Sàng - Khu gang thép TháiNguyên và ở các nhà máy luyện cán thép Miền Nam là loại máy cán bố trítheo hàng Những máy này được trang bị từ trước năm 1970 và nguồn gốc

1 - Động cơ, 2 - Hộp giảm tốc, 3 - Hộp bánh răng truyền lực, 4 - Giá

cánHình 1.5 Máy cán bố trí kiểu chữ z (bàn cờ)

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

nhóm thứ 2 làm nhiệm vụ cán tinh thường bố trí theo hàng và vật cán

thường được cán theo vòng (hình 1.6 và hình 1.7)

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

1.2. ĐẶC ĐIỂM CỦA SẢN PHẨM CÁN NGUỘI

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

- Khi tạo hình bằng cán nguội, phôi không phải nung nóng nên kimloại bị biến cứng làm giới hạn chảy tăng từ 10 -r 15, chất lượng sảnphẩm cao hơn cán nóng, tạo hình xong không phải xử lý nhiệt

- Môi trường sản xuất tích cực (không gây tiếng ồn, nóng, bụi )

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Để có được các sản phẩm định hình từ tôn tấm có nhiều phương pháp,

trong đó điển hình là hai phương pháp cán nguội và dập nguội Phương pháp

dập nguội cho năng suất không cao, chiều dài hạn chế, thiết bị cồng kềnh Phương pháp cán cho năng suất cao, sản phẩm đẹp Máy cán tấm chắn xôdạng sóng hình sin đã được nhiều cơ sở trong nước gióng dựng Tuy nhiên,máy cán loại này có profin trục cán chép theo dạng của sản phẩm, nên việcchế tạo, sửa chữa và bảo dưỡng khó khăn, giá thành cao Đa số các máy cántấm chắn xô cũ ở Việt Nam hiện nay đều sử dụng bộ truyền bánh răng nênviệc điều chỉnh khe hở cán rất khó khăn Trong đồ án này chúng tôi chọnphương án thiết kế máy cán tôn sử dụng bộ truyền xích để dẫn động các cặptrục cán

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Chưong II

Cơ SỞ LÝ THUYẾT VỂ BIÊN DẠNG KIM LOẠI

2.1.CÁC KHÁI NIỆM Cơ BẢN

2.1.1 Vật liệu kim loại

Theo các nhà kỹ thuật Kim loại được quan niêm là các vật thể cónhững dấu hiệu chung đặc trưng như:

- Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt

- Có ánh kim, phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng thường đi qua

- Dẻo, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép)

- Có độ bền cơ học nhưng kém bền hóa học

- Trừ thủy ngân ra, các kim loại ở nhiệt độ bình thường đều có cấu trúc

tinh thể

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Tuy số nguyên tử nằm lệch vị trí qui định chiếm tỷ lệ rất thấp (chỉ 1 -T-

2%) song cũng gây ra ảnh hưởng đối với tinh thể khi chịu tác dụng củangoại lực Theo kích thước ba chiều trong không gian, sai lệch mạng chiathành:

- Sai lệch điểm: là loại sai lệch có kích thước rất nhỏ (cỡ nguyên tử)

theo ba chiều không gian

- Sai lệch đường: là loại có kích thước nhỏ theo hai chiều và lớn theo

chiều thứ ba, tức là có dạng của một đường (có thể là đường thẳng,cong, xoáy trôn ốc)

- Sai lệch mặt: là loại sai lệch có kích thước lớn theo hai chiều đo và

nhỏ theo chiều thứ ba, tức là có dạng của một mặt (có thể là mặtphẳng, cong hay uốn lượn)

Các sai lệch điểm như nút trống, nguyên tử xen kẽ nếu chúng nằmliền nhau trên một đường sẽ tạo ra sai lệch đường Tuy nhiên dạng sai lệchnày không có tính ổn định cao Ví dụ các nút trống có thể tập trung thànhcụm hoặc phân tán đều dưới những tác dụng khác nhau Dạng điển hìnhnhất của sai lệch đường mà ta sẽ khảo sát là lệch (dislocation) Chúng cónhững dạng hình học nhất định và tính ổn định cao Sai lệch đường baogồm:

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

biên của bán mặt nên có tên là lệch biên Với sự phân bố như vậy nửa tinh

c

a) Mô hình tạo thành

b) Sự sắp xếp nguyên tử trong vùng lệch

Như vậy, về bản chất, lệch biên là giao tuyến của mặt phẳng nguyên

tử thừa (ABCD) với mặt phẳng EE (gọi là mặt trượt) và nó là một chuỗi cácnguyên tử

Hình 2.2 Lệch xoắn

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

CÓ thể hình dung lệch xoắn như mô hình trượt dịch ở hình 2.2a (điềunày không đồng nghĩa nó được hình thành đúng như vậy): cắt tinh thể lýtưởng theo bán mặt ABCD rồi trượt dịch hai mép ngoài của mặt phảngngược chiều nhau đi một hằng số mạng trên đường BC Điều này sẽ làm cho

các nguyên tử trong vùng hẹp giữa hai đường AD và BC sắp xếp lại có dạng

đường xoắn ốc giống như mặt vít nên lệch có tên là lệch xoắn biểu thị sắpxếp nguyên tử ở trên và dưới bán mặt Sự xô lệch nguyên tử được thấy rõ ởhình 2.2b Cũng giống như trên đường AD là tâm của sự xô lệch nên đượcgọi là trục lệch

c. Lệch hỗn hợp

Hình 2.3 Mô hình lệch xoắn

Vùng ABC là một phần của mặt trượt mà ở đây đã xảy ra xê dịch các

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

đó là trục lệch Hình 2.3a trình bày cách bố trí nguyên tử xung quanh trục

lệch Lệch hỗn hợp là tổng hợp của lệch biên và lệch xoắn

2.2. BIẾN DẠNG DẺO VÀ PHÁ HỦY

2.2.1. Khái niệm

Để nghiên cứu quá trình biến dạng ta nghiên cứu mối quan hệ giữaứng suất và biến dạng sinh ra Trên thực tế khi gia công sản phẩm cũng nhưkhi cho máy hoạt động, kim loại chịu tác dụng của nhiều tải trọng với trạngthái ứng suất ba chiều Tuy nhiên để đơn giản hoá, quá trình biến dạngthường được nghiên cứu dưới tác dụng của tải trọng kéo và lấy nó làmtrường hợp điển hình, vì nó thể hiện rõ ràng các giai đoạn biến dạng Cácgiai đoạn biến dạng bao gồm: biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và phá hủy.Phương pháp thử kéo cũng là phương pháp chủ yếu để đánh giá cơ tính củavật liệu và so sánh các vật liệu với nhau

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Biến dạng đàn hồi: khi tải trọng đặt vào nhỏ, F tăng dần từ 0 đến

Fđh,

độ biến dạng (ở đây biểu thị bằng độ dãn dài Al) tăng dần theo qui luậttuyến tính với tải trọng, khi bỏ tải trọng biến dạng mất đi Giai đoạn Oe trênhình được gọi là giai đoạn đàn hồi, được đặc trưng bởi Fđh và ứng suất đànhồi ơdh

Biến dạng dẻo: khi tải trọne đặt vào lớn, F > Fdh, độ biến dạng tăng

nhanh theo tải trọng, khi bỏ tải trọng biến dạng không bị mất đi mà vẫn cònlại một phần Ví dụ khi đặt tải trọng Fa mẫu bị kéo dài theo đường Oea tứcdài thêm đoạn Oa”, nhưng khi bỏ tải trọng mẫu bị co lại theo đường songsong với đoạn Oe nên cuối cùng vẫn còn bị dài thêm một đoạn Oa’ Nhưvậy biến dạng dẻo là biến dạng có kèm theo sự thay đổi kích thước của hìnhdáng khi bỏ tải trọng Hiện tượng biến dạng tăng khi ứng suất (lực) tăngkhông đáng kể gọi là sự chảy của vật liệu, ứng suất tương ứng gọi là giớihạn chảy ơch

Nhờ biến dạng dẻo ta có thể thay đổi hình dạng, kích thước kim loại

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Hình 2.5 Sơ đồ biến đổi mạng tinh thể

a) Ban đầu b) Biến dạng đàn hồi

c) Biến dạng kéo d) Phá hủy

Sự biến đổi về mạng tinh thể ở ba trạng thái trên được trình bày nhưhình 2.5

Khi biến dạng đàn hồi các nguyên tử chỉ dịch chuyển đi khoảng cáchnhỏ (không quá một thông số mạng), thông số mạng tăng từ a lên a+Aa, tức

là chưa sang vị trí cân bằng mới nên khi bỏ tải trọng lại trỏ’ về vị trí cân

bằng cũ Biến dạng đàn hồi xảy ra do cả ứng suất tiếp lẫn ứng suất pháp.Khi biến dạng dẻo nguyên tử dịch chuyển đi khoảng cách lớn hon (quá một

thông số mạng) nên khi bỏ tải trọng nó trở về vị trí cân bằng mới Biến dạng

dẻo chỉ xảy ra do ứng suất tiếp Khi biến dạng đàn hồi và dẻo lực liên kếtgiữa các nguyên tử vẫn được bảo tồn, còn khi phá hủy các liên kết bị hủyhoại dẫn đến đứt rời

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

trượt luôn là phương xếp chặt còn các mặt trượt có thể là mặt xếp chặt hoặc

không xếp chặt

Khả năng biến dạng dẻo của kim loại có thể đánh giá theo hệ số trượt(tức là tích của số mặt trượt với số phương trượt) và độ xếp thể tích Mv (mật

độ nguyên tử) Ví dụ kim loại có mạng tinh thể lập phương tâm mặt vàmạng lục giác xếp chặt tuy có Mv gần bằng nhau nhưng hệ số trượt khácnhau nên khả năng biến dạng dẻo của chúng khác nhau Kim loại mạng lậpphương tâm mặt do có hệ số trượt lớn hơn nên chúng dễ biến dạng dẻo hơn.Kim loại mạng lập phương tâm khối tuy có hệ số trượt lớn nhưng Mv nhỏnên biến dạng dẻo kém hơn kim loại mạng lập phương tâm mặt Ví dụ thaotác dập cán kéo thép thường thực hiện ở nhiệt độ cao (900° -ỉ- 1000°C) vì ởnhiệt độ đó thép dễ biến dạng vì có mạng lập phương tâm mặt, trong khi ởnhiệt độ thấp nó có mạng lập phương tâm khối khó biến dạng dẻo

Khảo sát vai trò của định hướng mặt trượt đến khả năng trượt, tức khả

năng biến dạng dẻo Muốn trượt xảy ra để có biến dạng dẻo thì trong hệ số

ơm =„= p =<J„C0S'<P THUYẾT MINH ĐỐ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XẦY DỰNG

Hình 2.6 Định hướng của hệ trượt với ngoại lựcMặt trượt là hình elip gạch chéo có pháp tuyến On hợp với phương

COS(p

ứng suất pháp tác dụng lên mặt trượt có trị số:

’0

ứng suất an chỉ gây ra biến dạng đàn hồi hoặc phá hủy, ứng suất tiếp

biến dạng dẻo được tính bằng:

p p COSIỊ/ p.sinọ.cosọ 1 _

= Y L = V = -7 =^CT.sin 2(p.cosy

COS(p cosọ

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

trí thuận lợi nhất của mặt trượt là cp = 45°, khi đó Tm đạt giá trị là

1

■^ƠQ.COSlị/

Tóm lại với một tải trọng xác định, trị số của ứng suất trượt thay đổitheo định hướng của hệ trượt với phương tải trọng Trong tinh thể gồmnhiều mặt trượt khác nhau thì quá trình biến dạng dẻo bằng trượt xảy ra sautrượt tiến trong mặt có định hướng thuận lợi, sự phát triển dần sang các mặtkém thuận lợi hơn Điều này giải thích tại sao kim loại có dạng lập phươngtâm mặt lại luôn bị biến dạng dẻo khi chịu tải thích hợp trước khi bị phá

c. Cơ chê trượt

Trượt là một trong các yếu tố gây ra hiện tượng dẻo được thực hiệnbằng xê dịch nguyên tử Dưới đây sẽ xem xét kỹ hơn cơ chế xê dịch nguyên

tử trên các mặt trượt để tạo ra bậc cấp trên mặt ngoài tinh thể trong haitrường hợp: tinh thể lý tưởng và tinh thể thực

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Sơ đồ trượt trong tinh thể lý tưởng được trình bày trên hình 2.7 Dãy

nguyên tử ABC biểu diễn lớp nguyên tử phía trên mặt trượt có dãy 1, 2,

3, biểu diễn lớp nguyên tử phía dưới mặt trượt Khoảng cách giữa hai lớp

nguyên tử là a còn giữa các nguyên tử của một lớp là b Để có biến dạng dư

thì cả lớp nguyên tử ABC phải xê dịch tương ứng với lớp 1, 2, 3, một

đoạn bằng b sao cho có nguyên tử ở vào vị trí cân bằng mới, trùng với nút

có thể là một hàm tuần hoàn của X với dạng hình sin (hình 2.8) với biên độ

Hệ số k là giá trị cực đại của hàm f(x) và được xác định trên cơ sởđịnh luật Hooke cho các biến dạng nhỏ

0 < X < b

b

X

2nx 2nx _

Độ bền lý thuyết tính theo hai công thức trên lớn hơn các kết quảthực nghiệm tới hàng nghìn lần Sự sai khác quá lớn giữa độ bền lý thuyết

và thực tế cho thấy sự trượt xảy ra trong kim loại dễ dàng hơn nhiều so vớitinh thể lý tưởng Lý thuyết lệch đã giải thích cơ chế trước đây là xê dịch

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

o •

o

Hình 2.9 Sự di chuyển của lệch ra mặt ngoài để tạo nên cấp bậc

Hình 2.9 cho thấy cách sắp xấp nguyền tử xung quanh một lệch biênthay đổi như thế nào khi nó chuyến vị trí đến lúc gặp mặt ngoài tinh thể tạomột bậc cấp có độ lớn bằng véctơ Bungers Bằng cách đó mỗi lần di chuyểnlệch thực hiện được một xê dịch bằng khoảng cách nguyên tử Xê dịch đóđược minh hoạ trên hình 2.10 như sau: Dưới tác dụng của ứng suất tiếp cácnguyên tử phía trên mặt trượt dịch sang phải a —» a\ b —> b\ c —» c\ h

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

M

Để lệch chuyển động được thì ứng suất tiếp phải đạt được trị số cầnthiết nhằm vượt cản trở thế năng giữa hai vị trí lân cận Dựa vào giả thiết vềcách sắp xếp gần đúng nguyên tử ở gần lệch và về quy luật biến đổi lựclượng tương tác nguyên tử, Peierls - Nabarro đã tính được ứng suất tiếp giớihạn - ứng suất tối thiểu để lệch bắt đầu chuyển động là:

2G 271 a

tp N =1 exp(-—-,f0

1-V 1-v b

Xp"N ~ 8.103 THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

3GThực ra việc tính ứng suất tới hạn khá phức tạp do chưa biết chínhxác về cấu tạo và liên kết nguyên tử trong vùng lõi lệch Ngoài ra, toàn bộđường lệch không nhất thiết phải chuyển đổi song song đồng thời như giảthiết Nó có thể bị uốn khúc để tương ứng với trạng thái năng lượng thápnhất Khi đó ứng suất tới hạn Xp.Nchắc sẽ có trị số nhỏ hơn

Tóm lại trong tinh thế lý tưởng trượt xảy ra bằng cách các nguyên tửtrên mặt trượt xê dịch cùng một lúc như một khối cứng trên một khoảngcách nguyên tử, do đó cần phải có ngoại lực rất lớn Trong tinh thể thực,trượt thực hiện bằng chuyển động của lệch nhờ các xê dịch rất nhỏ (so vớikhoảng cách nguyên tử) của các nguyên tử gần như lệch nên chỉ cần ngoạilực tương đối nhỏ (giống như sự xê dịch của bộ quân bài tạo ra các bậc

• Biến dạng dẻo trong đơn tinh thể.

Biến dạng dẻo trong đơn tinh thẻ được biểu diễn trên hình 2-11, là

đường cong biến dạng nói lên quan hệ giữa ứng suất tác dụng X và độ xê

dịch của y do nó tạo ra Để đơn giản hoá ta xem đường cong gồm các đoạn

Oa, ab, be và đoạn cong cd Ta không xem xét đoạn Oa vì đoạn này biểu

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Khi ứng suất đủ lớn thì sẽ xảy ra quá trình biến dạng dẻo Giả sử biếndạng dẻo xảy ra chủ yếu bằng cách trượt mà trượt là do chuyển động củalệch phát sinh từ nguồn Frank - Read Muốn cho nguồn Frank - Read bắtđầu hoạt động thì ứng suất tác dụng trên mặt trượt có định hướng thuận lợinhất phải lớn hơn trị số ứng suất xác định theo công thức:

_ Gb _ GbXp'R ~ 2R ~ 1G: Mô đun trượt,b: Véc tơ Burgers

R: Bán kính cong của đường lệch

L: Khoảng cách giữa 2 điểm chết

ứng suất tới hạn đó có thể xem như giới hạn đàn hồi của tinh thể vì

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

luôn tương tác với nhau cản trở lẫn nhau nên muốn nguồn phát sinh lệch

Frank - Read tiếp tục hoạt động và lệch tiếp tục chuyển động thì vẫn phảitác dụng ứng suất cao hơn Hiện tượng này gọi là sự hoá bền Trong giaiđoạn biến dạng từ điểm a đến điểm b khả năng hoá bền đuợc đặc trưng bởi

hệ số hoá bền tg0, (0, là góc nghiêng của đoạn ab) Sau khi những đơn tinhthể có mật độ lệch nhỏ, các lệch nằm xa nhau và ít tương tác với nhau nên

hệ số hoá bền giai đoạn này tương đối nhỏ khoảng 10'4G Vì biến dạng dẻoxảy ra với mức độ hoá bền nhỏ như vậy nên giai đoạn biến dạng ab gọi làgiai đoạn dễ trượt Đặc trưng của giai đoạn này là lệch trượt chủ yếu nằmtrên một mặt trượt với khoảng trượt tự do lớn Kết quả là sau khi thôi tácdụng ngoại lực, vật không thể tự trở về hình dạng và vị trí ban đầu

Với lệch mạng vuông góc hướng chuyển động của lệch mạng cùngvới phương của ứng suất tiếp, với lệch mạng xoắn Lệch mạng chuyển độngvuông góc với phương của ứng suất tiếp

Khi ứng suất tác dụng đã đạt trị số xác định nào đó thì ứng suất trượtthực tế trên những mặt trượt có định hướng bất lợi hơn đã đạt được trị số đểlệch chuyển động và nguồn Frank - Read bắt đầu hoạt động Do trượt xảy

ra trên những hệ mặt phẳng cắt nhau sẽ tạo nên những vật chướng ngại vànhững tập hợp lệch hoặc cụm lệch có tác dụng cản trở mạnh chuyển độngcủa những lệch khác hoặc có thể đình chỉ hoạt động của nguồn phát sinhlệch Vì vậy muốn trượt tiếp tục thì phải tăng mạnh ứng suất tác dụng đểthắng được những yếu tố hãm lệch có thể có Đó là nguyên nhân giải thích

vì sao đoạn thẳng bc có độ nghiêng lớn, tức là hệ số hoá bền tg02 lớn gấphàng chục lần so với giai đoạn dễ trượt Do đó hoạt động của các hệ trượtthứ cấp cũng như tương tác giữa chúng với hệ sơ cấp ngày một mạnh mà

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Giai đoạn biến dạng tương ứng với đoạn cong cd được đặc trưng bàng

quá trình trượt ngang, khi ứng suất đã lớn thì các lệch xoắn có thẻ vượt quachướng ngại bằng cách chuyển từ mặt trượt này sang mặt trượt khác Trêncác mặt trượt mới chúng chuyển động ít bị cản trở hơn, tức là để đạt được

độ biến dạng như trước cần đòi hỏi sự tăng ứng suất bé hơn Do đó hệ sốhoá bền thấp hơn so với giai đoạn cd giảm dần Quan hệ giữa ứng suất vàbiến dạng là quan hệ đường cong và giai đoạn này thường được gọi là giaiđoạn phục hồi động học Cơ chế trượt ngang ở đây làm cho cấu trúc ô lệch

ba chiều hình thành ở giai đoạn trước được hoàn chỉnh thêm Ngoài ra trượt

Hình 2.12 Biểu diễn sơ đồ Sons tinh của đơn tinh thể

Một cơ chế khác sây biến dạns dẻo là song tinh Song tinh là sự dịchchuyển tương đối của một loạt mặt phẳng các nguyên tử này so với một loạtcác nguyên tử khác, các nguyên tử đối xứng nhau qua mặt phẳng song tinh(AA) Khoảns dịch chuyển các nguyên tử khôns phải là số nguyên lầnkhoảns cách giữa các nsuyên tử (hằng số mạng)

Hiện tượng song tinh xảy ra rất nhanh và càng mạnh khi biến dạngđột ngột và tốc độ biến dạng lớn Song tinh có ảnh hưởng đến trượt: Tạo

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

mặt trượt nhất định) Trong quá trình trượt nếu có xuất hiện song tinh thì

đặc điểm nổi bật nhất là ứng suất tiếp tới hạn giảm xuống

• Biến dạng dẻo trong đa tinh thể.

Đa tinh thể là tập hợp của nhiều hạt có phương mạng định hướng mộtcách ngẫu nhiên Vùng ranh giới giữa các hạt có cấu tạo, tính chất khác vớivùng trung tâm và được gọi là biên giới hạt (tinh giới hạt) Đây là yếu tố cầnphải xét đến khi nghiên cứu biến dạng dẻo của đa tinh thể Dưới đây là một

số đặc điểm của biến dạng dẻo đa tinh thể:

Các hạt trong đa tinh thể định hướng khác nhau Khi tác dụng lênmẫu đa tinh thể một tải trọng, những hạt nào có định hướng thuận lợi chúngbiến dạng dẻo với ứng suất ơ tương đối nhỏ, còn những hạt có định hướngbất lợi hơn chúng biến dạng dẻo với ứng suất lớn hơn Đối với mạng sáuphương xếp chặt thậm chí có thế có những hạt có định hướng hoàn toàn bấtlợi, biến dạng dẻo không xảy ra Quan hệ giữa ứng suất kéo chung cho toànmẫu và ứng suất tiếp thực tế trong mỗi hạt có dạng:

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

hướng nằm trong khoảng mị và mj + Am sẽ là N(mi).Arn và chỉ số định hướng

trung bình của tất cả các hạt có thể tính theo biểu thức:

— Zmi.N(mi).Am Jm.N(m).dm

m = —— — -= —:- -

-ZN(mi).Am ÍN(m).dm

Đối với mạng lập phương tâm diện, tính toán của Sachs theo nguyên

lý đó cho thấy kết quả m = 2,238 - trong lúc thì m = 1 tức ứng suất tácdụng ơ để gây ra biến dạng dẻo trong đa tinh thể hơn hai lần so với đơn tinhthế với định hướng thuận lợi nhất định Tuy nhiên, đấy mới chỉ là sự gầnđúng ban đầu vì nó dựa trên giả thiết cho rằng khả năng biến dạng của cáchạt là độc lập nhau và chỉ phụ thuộc vào sự định hướng các hạt đó Giả thiết

đó hoàn toàn không phù hợp với thực tế và các hạt gắn với nhau trong đatinh thế thành một khối liên tục, sự thay đổi hình dáng và kích thước củacác hạt này cong phụ thuộc vào sự biến dạng của các hạt chung quanh, nếukhông liên kết giữa các hạt trên miền ranh giới sẽ bị phã vỡ Những nghiêncứu của Miss cho thấy rằng để đảm bảo tính liên tục của toàn đa tinh thể,trượt xảy ra ít nhất là theo 5 hệ trượt, tức là theo 5 mặt và hướng trượt khácnhau Trong số đó có những hệ trượt có định hướng bất lợi với chỉ số m lớn

vì thế chỉ số định hướng trung bình m tính cho đa tinh thể cao hơn so với trị

số m = 2,238 Nếu chú ý đến quan hệ giữa ứng suất và độ biến dạng của đatinh thể:

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

trường ứng suất trong mỗi hạt là không đồng nhất, ứng suất phải phân bố

thế nào để các lực tác dụng lên tinh giới từ các phía phải được cân băng vớinhau Yêu cầu này Tay lo không đề cập đến trong tính toán của mình, tuynhiên theo sự phân tích của một số nhà nghiên cứu thì nó không ảnh hưởngmấy đến kết quả đã đạt được, tức là hầu như không ảnh hưởng đến khả nănghóa bền

Ranh giới giữa các hạt là vùng có sắp xếp nguyên tử không theo trật

tự nhất định như các vùng phía trong Nhìn chung có thể xem như cácnguyên tử sắp xếp không có trật tự Thêm vào đó vùng tinh giới lại là nơichứa nhiều nguyên tử tạp chất nên tác dụng cản trở trượt cang mạnh thêm.Tinh giới là vật chướng ngại chống lại chuyển động của lệch Quá trìnhtrượt có thể chuyển từ hạt này sang hạt kia chỉ khi nào ứng suất tác dụng đủlớn, để đường ứng suất của tập hợp lệch có khả năng làm cho nguồn phátsinh lệch phía bên kia tinh giới bắt đầu hoạt động Vai trò hóa bền của ranhgiới hạt có thể thấy rõ trong thí nghiệm kéo sợi kim loại ở những vùng tinh

Hình 2.13 Sợi kim loại hạt lớn sau khi kéo

Quan hệ giữa độ bền và kích thước hạt thường được biểu diễn bằngcông thức Hall-Petch:

ơchd - giới hạn chảy dưới của đa tinh thể

d - kích thước trung bình của hạt

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

k - hằng số phục thuộc vào khả năng hãm lệch của tinh giớiCông thức Hall-Petch đầu tiên được đưa ra trên cơ sở thực nghiệm:kích thước hạt càng giảm thì giới hạn chảy càng tăng và nếu vẽ đường biểu

diễn quan hệ giữa ơchd và -ỉ= thì đó là quan hệ đường thẳng Quan hệ đó

Hình 2.14 Sự phụ thuộc ứng suất trượt vào góc biến dạng

của kim loại có cấu trúc lập phương tâm mặt

a - Đơn tinh thể b - Đa tinh thể

I - Vùng trượt dễ dàng II - Vùng hóa bềnTác dụng hãm lệch của tinh giới hạt không những chỉ thể hiện ở giaiđoạn đầu của quá trình biến dạng Vì thế tại thời điểm bất kỳ quá trình biếndạng dẻo cũng có thể viết:

ơ = a’k + k\d',/2

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

làm vỡ hạt Các hạt không cùng biến dạng một lúc mà bắt đầu ở những hạt

có mặt trượt tạo với lực tác dụng một góc gần 45° nhất là sau đó đến các hạtlân cận khác và cứ thế các hạt được biến dạng dần Sự biến dạng của đa tinhthể kém hơn biến dạng của đơn tinh thể rất nhiều, nghĩa là để đạt được cùngmức độ biến dạng, ở đa tinh thể cần ứng suất lớn hơn rất nhiều (hình 2.14)

2.3. BIẾN DẠNG DẺO TRONG CÁN KIM LOẠI

2.3.1. Lý thuyết cán

• Khái niệm:

Cán là quá trình làm biến dạng kim loại bằng cách cho kim loạichuyển động giữa hai trục cán ngược chiều nhau, dưới áp lực của hai trục,kim loại tự biến dạng làm giảm chiều cao, tăng chiều dài, chiều ngang tăngkhông đáng kể Sau khi cán kim loại có chiều cao bằng khe hở giữa hai trụccán, cơ tính của kim loại được cải thiện rõ rệt

• Vùng biến dạng và các thông sô đặc trưng của vùng biến dạng:

Khi cán, hai trục cán quay liên tục ngược chiều nhau Nhờ ma sát tiếp

xúc vật cán được ăn liên tục vào trục cán và cùng biến dạng Sau biến dạng

chiều dày vật cán giảm dần, chiều dài tăng lên, chiều rộng cũng tăng lênchút ít và hình dáng của vật cán thay đổi Vùng biến dạng là vùng kim loạibiến dạng dẻo nằm trong phạm vi tác dụng của trục cán

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Lượng ép của kim loại: lượng ép tương đối Àh là hiệu số chiều caocủa vật cán trước và sau khi biến dạng Lượng ép tương đối được biểu thị

Hình 2.15 Sơ đồ vùng biến dạng khi cán kim loại

Lượng ép tuyệt đối 8 là tỷ số giữa lượng ép tuyệt đối và chiều dày ban

đầu của vật cán tính theo % Lượng ép tuyệt đối được biểu thị bằng:

e= h| ~h^- 100%

h2

Mối quan hệ giữa Ah, a và 1:

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

2.3.2. Điều kiện vật cán ăn vào trục cán:

Khi dùng một ngoại lực đưa vật cán vào trục cán đang quay ngượcchiều nhau tại thời điểm vật cán tiếp xúc với hai trục cán, thành phần lực ma

Vậy để vật cán ăn được vào trục phải đảm bảo điều kiện lượng éptuyệt đối nhỏ hơn bán kính cán nhân với bình phương hệ số ma sát:

Nx = N.sina Tx = T.cosa

Như vậy: N.Lcosa > N.sina

Kết họp lại ta có:

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Chương III

TÍNH TOÁN THIẾT KÊ MÁY

3.1. Sơ ĐỔ ĐỘNG MÁY THIẾT KÊ

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết của chương II và dạng sản phẩm đãnêu trong phần Tổng quan, ta hình thành được sơ đồ động cho máy thiết kếnhư hình vẽ 3.1

/ // /// l\' V Vỉ VII VIII

4.Khớp nối 5 Bộ truyền xích truyền động chính

6 Bộ truyền xích truyền động giữa các trục cán

7 Các trục cán

Máy cán gồm có 8 cặp trục:

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Tính sơ bộ năng suất máy:

t - thời gian làm việc trong một năm, t = 300 ngày

m - số ca làm việc trong ngày, m = 2 ca

h - số giờ làm việc trong một ca, h = 8 giờ

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

3.2. TÍNH TOÁN PHÔI CÁN

3.2.1. Phôi liệu

Phôi liệu dùng để cán tấm chắn xô được cắt từ tôn tấm (CT3) thànhbăng Thép CT3 có tính dẻo tốt, dễ cán, chịu được số lần lăn qua trục tạohình nhiều nhưng ít bị rạn nứt, sẵn có thị trường trong nước

3.2.2. Sản phẩm tấm chán xô và yêu cầu kỹ thuật

44-3

• Yêu cầu kỹ thuật:

Sản phẩm có sai lệch hình dáng và kích thước đạt tiêu chuẩn chophép:

- Không có vết lõm, vết khuyết trên bề mặt sản phẩm

- Mép sản phẩm không bị gọn sóng

- Không bị nứt cũng như dãn mỏng tại vùne uốn

- Không tạo vết xước tại vùng bán kính lượn của cối

- Chiều dài và chiều dày sản phẩm không thay đổi so với chiều dài,chiều dày của phôi

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIÊP TRƯỜNG ĐAI HOC XẨY DƯNG

3.2.3. Tính toán quá trình biến dạng

R - bán kính ngoài của tiết diện

r - bán kính uốn trong của tiết diện

a - hệ số biến mỏng

p - hệ số nở rộng

Trong đó:

r - bán kính trong, r = 10 ram

s - chiều dày phôi cán, s = 3 mm

X - hệ số xác định khoảng cách lớp trunghòa đến bán kính uốn

Từ đó ta được:

p = 10 + 0,47x3 = 11,41 (mm)

Xác định chiều rộng phôi phải cắt: B

Theo bảng 38 trang 150 sách sổ tay dập nguội, ta có bán kính uốn

Do tấm chắn xô có góc lượn nên độ dài của phôi (B) bằng tổng độ dài

của các đoạn thẳng và độ dài của lớp trung hòa ở đoạn uốn cong

(p là góc của đoạn uốn cong được xác định: (p = 180° -

a

<p, = < p 8 = 180° - 130° = 50°

cp2 = (p3 = (p4 = (p5 = (p6 = <p7 = 180° - 140° = 40°

E - môđun đàn hồi khi kéo, E = 2,1.105 N/mm2.

ơb - ứng suất bền giới hạn của vật liệu cán, ơb = 450 N/mm2

Ngoài khả năng bị uốn với bán kính lớn kim loại còn có khả năng bịuốn với bán kính nhỏ nhất mà không bị rạn nứt theo công thức:

Với K là hệ số biến dạng với bán kính nhỏ mà kim loại không bị rạnnứt Tra bảng 34 trang 80 sách sổ tay dập nguội có K = 1,0

=> Rmin =1-3 = 3 (mm)

Do ảnh hưởng của trạng thái biến dạng mặt cắt của vật liệu đem cán,khi cắt phôi để cán nếu trên bề mặt nhiều ba via hoặc vết nứt thì khi uốn tạo