đồ án tốt nghiệp thiết kế máy lốc ống 4 trục

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nền công nghiệp đã có bước phát triển mạnh mẽ. Ở nước ta các ngành công nghiệp nặng như cơ khí, xây dựng, đường sắt, đóng tàu, công nghiệp ôtô, công nghiệp quốc phòng…Đang trên đà phát triển và lan rộng khắp đất nước. Để góp phần cho sự phát triển lớn mạnh của ngành công nghiệp này phải kể đến vai trò của ngành công nghiệp gia công cơ khí. Gia công cơ khí có vai trò quan trọng để chi tiết có thể làm việc được và hoàn thiện hơn. Gia công các chi tiết có dạng ống được ứng dụng rất nhiều trong đời sống và sản xuất. Các loại ống, bình bồn có kích thước, hình dạng, tính năng làm việc khác nhau tùy thuộc Trong đời sống hằng ngày sản phẩm dạng ống hay dạng nón được sử dụng rất rộng rãi cho các ngành, các thiết bị hay phương tiện trong thực tế.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN: GIỚI THIỆU VỀ CÁC LOẠI SẢN PHẨM UỐN 1.1 Tổng quan về các loại sản phẩm uốn

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nền công nghiệp đã có bước phát triển mạnh mẽ Ở nước ta các ngành công nghiệp nặng như cơ khí, xây dựng, đường sắt, đóng tàu, công nghiệp ôtô, công nghiệp quốc phòng…Đang trên đà phát triển và lan rộng khắp đất nước Để góp phần cho sự phát triển lớn mạnh của ngành công nghiệp này phải

kể đến vai trò của ngành công nghiệp gia công cơ khí Gia công cơ khí có vai trò quan trọng để chi tiết có thể làm việc được và hoàn thiện hơn

Gia công các chi tiết có dạng ống được ứng dụng rất nhiều trong đời sống và sản xuất Các loại ống, bình bồn có kích thước, hình dạng, tính năng làm việc khác nhau tùy thuộc Trong đời sống hằng ngày sản phẩm dạng ống hay dạng nón được sử dụng rất rộng rãi cho các ngành, các thiết bị hay phương tiện trong thực tế

1.2 Ứng dụng của các sản phẩm uốn trong thực tế

1.2.1 Ứng dụng trong nông nghiệp:

 Sản phẩm dự kiến: các ống tròn sử dụng trong các công trình thuỷ lợi, sản phẩm ống được lắp đặt để cung cấp nước phục vụ cho tưới tiêu nông nghiệp, ngoài ra nó còn làm hệ thống cung cấp nước sinh hoạt cho con người

 Số lượng: nhiều với các kích thước đường kính và chiều dài khác nhau

 Vật liệu: làm bằng thép

Hình 1.1: Các loại ống trong thực tế

1.2.2 Ứng dụng trong các ngành công nghiệp:

Ống đóng vai trò chủ chốt trong mọi hoạt động sản xuất:

 Sản phẩm dự kiến:

 Dạng ống được dùng để dẫn khí (O2, CO2, C2H2…), dẫn nước và các đường ống dẫn dầu, thiết bị xử lý hóa chất, bồn chứa các loại chất lỏng, chứa thiết bị xử lý hóa chất

Hình 1.2: Các loại bồn chứa chất lỏng

 Tại các nhà máy thủy điện ống được dùng dẫn nhiên liệu, hệ thống thu hồi, xử lý nhiệt ở nhà máy nhiệt điện, các vỏ tuabin máy phát, các lò hơi, nồi hơi, ống thải, ống thu hồi …

Hình 1.3: Tuabin máy phát điện và hệ thống thu hồi nhiệt

 Các hệ thống ống, các bình bồn còn dùng để chứa khí gas chịu được áp suất cao

mà vẫn đảm bảo an toàn, loại này được sản xuất và kiểm tra rất kỹ lưỡng

 Các loại bồn dùng để sàng lọc, xử lý hóa chất tại các nhà máy hóa chất,

Hình 1.4: Các loại bồn xử lý hóa chất, chứa khí gas

 Các bồn chứa hóa chất có đường kính với chiều dày thép lớn, các bồn xử lý trong

hệ thống lọc dầu, tuabin thủy điện…

Hình 1.5: Các loại bồn chứa dầu tại nhà máy lọc dầu 1.2.3 Trong các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, quân sự quốc phòng, công nghiệp đóng tàu, ôtô…

- Trong ngành đóng tàu sản phẩm là các võ tàu thủy có kích thước bán kính lớn, võ ôtô, các loại vỏ tên lửa, vũ khí quân sự trong ngành công nghiệp quốc phòng…

Tuy nhiên việc sử dụng ống cho nhiều hình thức khác nhau, có những dạng kích thước của ống khác nhau Vì vậy sản phẩm ống là nhu cầu không thể thiếu được trong sản xuất

và đời sống

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH GIA CÔNG BIẾN DẠNG VÀ

KỸ THUẬT UỐN THÉP TẤM 2.1 Lý thuyết quá trình biến dạng kim loại.

Như chúng ta đã biết, dưới tác dụng của ngoại lực thì kim loại bị biến dạng theo 3 giai đoạn:

 Biến dạng đàn hồi

 Biến dạng dẻo

 Phá huỷ

Sau đây khảo sát cơ chế biến dạng trong đơn tinh thể kim loại, trên cơ sở đó ta đi nghiên cứu biến dạng của các kim loại và hợp kim

2.1.1 Biến dạng trong đơn tinh thể.

Trong đơn tinh thể kim loại, các nguyên tử sắp xếp theo một trật tự nhất định Mỗi nguyên tử luôn luôn dao động quanh một vị trí cân bằng của nó

Hình 2.1: Mạnh tinh thể trước biến dạng Hình 2.2: Biểu đồ quan hệ lực và biến dạng

a) Biến dạng dần hồi (đoạn OA): Là biến dạng mất đi sau khi khử bỏ tải trọng tác

dụng Vật thể tự khôi phục hình dáng và kích thước của nó

b) Biến dạng dẻo (đoạn AB): Là do ứng suất sinh ra trong kim loại vượt quá giới hạn

đàn hồi Làm biến đổi hình dáng và kích thước sau khi khư bỏ tải trọng tác dụng Kim loại bị biến dạng dẻo do trượt và song tinh:

Theo hình thức trượt: Là sự chuyển động tương đối với nhau của các phần tinh thể theo những mặt và phương nhất định (mặt trượt và phương trượt) Trên mặt trượt các nguyên tử kim loại di chuyển tương đối với nhau một khoảng đúng bằng số nguyên lần thông số mạng, sau khi thôi tác dụng ngoại lực thì các hạt này không trở về vị trí ban đầu

mà dao động ở vị trí cân bằng mới (Hình 2.3)

Hình 2.3: Biến dạng theo hình thức trượt Hình 2.4: Biến dạng theo hình thức song tinh

Theo hình thức song tinh: Là sự giữa 2 phần của mạng tinh thể theo các mặt và phương nhất định, để sau đó 2 phần của mạng tinh thể đối xứng với nhau qua mặt đó Mặt mặt đối xứng gọi là măt song tinh (Hình 2.4)

c) Biến dạng phá huỷ (đoạn BC): Dưới tác dụng của tải trọng và nội ứng lực thì kim

loại bị vỡ, nứt Cho nên cơ tính của kim loại bị giảm xuống đáng kể và trở thành phế phẩm

2.1.2 Biến dạng dẻo trong đa tinh thể.

Vật đa tinh thể có cấu tạo gồm nhiều đơn tinh thể xắp xếp ngẩu nhiên, vì phương của mỗi đơn tinh thể thường lệch hương nhau nên chúng bù trừ lẫn nhau

Do đó kim loại có tính đẳng hướng

Bến dạng dẻo đa tinh thể có hai hình thức trượt và song tinh có đặc điểm sau đây: Các hạt kim loại chịu các trạng thái ứng suất khác nhau, không đều nhau, cùng một lúc có thể xảy ra hạt chịu keo, hạt chịu nén hay xoắnvới các trị số ứng suất khác nhau Kim loại có cấu trúc hạt nhỏ chịu biến dạng tốt hơn kim loại có cấu trúc hạt to

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẻo và biến dạng của kim loại.

Tính dẻo của kim loại là khả năng biến dạng của kim loại dưới tác dụng của ngoại lực

mà không bị phá huỷ Tính dẻo của kim loại phụ thuộc vào hàng loạt các yếu tố

a) Ảnh hưỏng của thành phần và tổ chức kim loại.

Các kim loại khác nhau có kiểu mạng tinh thể, lực liên kết giữa các nguyên tử khác nhau Do đó tính dẻo của chúng cũng khác nhau Đối với các hợp kim kiểu mạng thường phức tạp, xô lệch mạng lớn, một số nguyên tố tạo hạt cứng trong tổ chức,cản trở sự biến dạng của kim loại Do đó tính deo của kim loại giảm

b) Ảnh hưởng của nhiệt độ.

Tính dẻo của kim loại phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ Hầu hết các kim loại tăng tính dẻo khi nhiệt độ tăng Khi nhiệt độ tăng thì dao động nhiệt của các nguyên tử tăng, đồng thời xô lệch mạng giảm, khả năng khuyếch tán của các nguyên tử làm cho tổ chức đồng đều hơn

c) Ảnh hưởng của ứng suất dư.

Khi kim loại biến dạng nhiều các hạt tinh thể vỡ vụn, xô lệch mạng tăng, ứng suất

dư lớn làm cho tính dẻo của kim loại bị giảm mạnh (hiện tượng biến cứng) Tổ chức kim loại sau khi kết tinh lại có hạt đồng đều và lớn hơn, mạng tinh thể hoàn thiện hơn nên độ dẻo tăng

d) Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất chính.

Trạng thái ứng suất chính cũng ảnh hưởng đến độ dẻo của kim loại Qua thực nghiệm người ta thấy rằng: kim loại chịu ứng suất nến khối có tính dẻo cao hơn khi chịu ứng suất nén mặt, nén đường hoặc chịu ứng suất kéo

e) Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng.

Nếu tốc độ biến dạng nhanh hơn tốc độ kết tinh lại thì các hạt kim loại bị chai cứng chưa kịp trở lại trạng thái ban đầu mà lại tiếp tục biến dạng, do đó ứng suất khối trong kim loại sẽ lớn, hạt kim loại dòn và có thể bị nứt

2.1.4 Trạng thái ứng suất và phương trình dẻo.

Giả sử trong vật hoàn toàn không có ứng suất tiếp thì vật thể chịu 3 ứng suất chính sau

- Ứng suất đường: τmax=σσ1/2;

- Ứng suất mặt: τmax=σ (σ1 –σ2)/2;

- Ứng suất khối: τmax=σ(σmax –σmin)/2;

Nếu σ1=σσ2=σσ3 thì τ=σ0 không có biến dạng ứng suất chính để kim loại biến dạng dẻo là giới hạn là giới hạn chảy σch

 Điều kiện biến dạng dẻo:

- Khi kim loại chịu ứng suất đường: |σσ1|σ=σσch tức là σmax=σσch/2

- Khi kim loại chịu ứng suất mặt: |σσ1 –σ2|σ =σσch

- Khi kim loại chịu ứng suất khối: |σσmax –σmin|σ =σσch

Các phương trình trên gọi là phương trình dẻo

Biến dạng dẻo chỉ bắt đầu sau khi biến dạng đàn hồi

- Thế năng của biến dạng đàn hồi:

A =σ A0 + Ah (2.1) Trong đó: A0 – thế năng thay đổi thể tích vật thể

Ah - thế năng thay đổi hình dáng vật thể

- Trong trạng thái ứng suất khối, thế năng biến dạng đàn hồi theo định luật Hooke

được xác định:

A= σ1ε1+σ2ε2+σ3ε3

Như vậy biến dạng tương đối theo định luật Hooke

ε1=1

E[σ1−μ(σ2+σ3) ] ε2=1

E[σ2−μ(σ1+σ3) ] (2.3)

ε3=1

E[σ3−μ(σ2+σ1) ]

- Theo (1.2) thế năng của toàn bộ biến dạng được biễu diển:

2 E[σ12+σ22+σ32−2 μ(σ1σ2+σ2σ3+σ3σ1) ] (2.4)

- Lượng tăng tương đối thể tích của vật trong biến dạng đàn hồi bằng tổng biến

dạng trong 3 hướng vuông góc:

∆ V

V =ε1+ε2+ε3=(1−2 μ)

E (σ1+σ2+σ3) (2.5) Trong đó: μ – hệ số Pyacon tính đến vật liệu biến dạng

E – mô đun đàn hồi của vật liệu

- Thế năng để làm thay đổi thể tích là:

A0=1

2∙

∆ V

(σ1+σ2+σ3)

(1−2 μ )

6 E (σ1+σ2+σ3)2(2.6)

- Thế năng dùng để làm thay đổi hình dạng của vật thể là :

A h=A− A0=(1+ μ )

6 E [ (σ1−σ2)2

+(σ2−σ3)2

+(σ3−σ1)2

] (2.7)

Vậy thế năng đơn vị để biến hình khi biến dạng đường sẽ là: A h=(1+ μ)

6 E ∙2 σ ch

2 (2.8)

Từ (1.7) và (1.8) ta có phương trình dẻo:

+(σ2−σ3)2

+(σ3−σ1)2

=2σ ch2

=const

(2.9) Khi cán kim loại dạng tấm, biến dạng ngang không đáng kể, theo (1.3) ta có thể viết:

σ2=μ(σ1+σ2) (2.10) Khi biến dạng dẻo (không tính đến đàn hồi) thể tích của vật thể không đổi, vậy: ∆ V =0

Từ (1.6) ta có:

(1−μ)

2 E (σ1+σ2+σ3)=0(2.11)

Từ đó: 1−2 μ=0 vậy μ=0,5

Từ (1.10) và (1.11) ta có : σ2=(σ1+σ2)/2 (2.12)

Vậy phương trình dẻo có thể viết: σ1−σ3= 2

√3σ ch ≈ 1,15 σ ch

(2.13)

Trong trượt tinh khi σ1=−σ3 trên mặt nghiêng ứng suất pháp bằng 0, ứng suất tiếp khi

α=45° : σ max=(σ1+σ3)/2 (2.14)

So sánh với (1.13) khi σ3=−σ1:σ max=σ ch

√3=k =0,58 σ ch (2.15) Vậy ứng suất tiếp lớn nhất là:K=0,58 σ ch gọi là hằng số dẻo ở trạng thái ứng suất khối, Phương trình dẻo có thể viết:

Phương trình dẻo (1.16) rất quan trọng để giải các bài toán trong gia công biến dạng Tính đến hướng của các ứng suất, phương trình dẻo (1.16) được viết:

(± σ¿¿1)−(± σ3)=2 K¿ (2.17)

2.1.5 Những định luật cơ bản khi gia công kim loại bằng áp lực.

a) Định luật biến dạng đàn hồi tồn tại khi biến dạng dẻo.

Biến dạng dẻo kim loại, đồng thời với biến dạng dẻo có xảy ra biến dạng đàn hồi Quan hệ giữa lực và biến dạng khi biến dạng đàn hồi tuân theo định luật Húc

b) Định luật ứng suất dư Trong bất cứ một kim loại biến dạng nào cũng được sinh ra

một ứng suất dư cân bằng nhau Ứng suất dư này tồn tại bên trong vật thể đến khi biến dạng làm giảm tính dẻo, độ bền và độ dai va chạm làm cho vật thể biến dạng hoặc phá hủy

c) Định luật thể tích không đổi.

Thể tích của vật thể trước và sau khi cán không đổi

Xét một vật thể có kích thước trước biến dạng và sau khi biến dạng là:

L0, b0, h0, L1, b1, h1.

Ta có: L0b0h0 =σ L1b1h1

Từ đây:

ln L1

L0+ln

b1

h1

Ký hiệu: ln

L1

L0=σ1

; ln

b1

b0=σ2

; ln

h1

h0=σ3

⇒ σ1+ σ2+ σ3=0 .

Trên là phương trình điều kiện thể tích không đổi

d) Định luật trở lực bé nhất.

Trong quá trình biến dạng các chất điểm của vật thể sẽ di chuyển theo phương nào

có trở lực bé nhất

e) Định luật đồng dạng.

Trong điều kiện biến dạng đồng dạng, hai vật thể có hình dạng hình học đồng dạng nhau Nhưng kích thước giống nhau sẽ có áp lực đơn vị biến dạng như nhau

Nếu gọi a1, b1, c1, F1, v1, là kích thước, diện tích và thể tích của vật thể 1; a2, b2, c2,

F2, v2, là kích thước, diện tích và thể tích của vật thể 2

Gọi P1, P2, A1, A2, là lực và công biến dạng tác dụng lên vật thể 1 và 2

a1

b1

c1

F1

2

;

v1

3

Theo định luật đồng dạng thì:

P1

2

;

A1

3

2.2 Kỹ thuật cán uốn thép tấm.

L

R







2.2.1 Khái niệm uốn.

Uốn là phương pháp gia công kim loại bằng áp lực nhằm tạo cho phôi hoặc một phần của phôi có dạng cong hay gấp khúc, phôi có thể là tấm, dải, thanh định hình và được uốn ở trạng thái nguội hoặc nóng Trong quá trình uốn phôi bị biến dạng dẻo từng phàn để tạo thàng hình dáng cần thiết Uốn kim loại tấm được thực hiện do biến dạng đàn hồi xảy ra khác nhau ở hai mặt của phôi uốn

2.2.2 Quá trình uốn.

Quá trình uốn bao gồm biến dạng đàn hồi và biến dạng dạng dẻo Uốn làm thay đổi hướng thớ kim loại, làm cong phôi và thu nhỏ dần kích thước

Trong quá trình uốn, kim loại phía trong phía góc uốn bị nén lại và co ngắn ở hướng dọc, đồng thời bị kéo ở hướng ngang Còn phần kim loại phía ngoài góc uốn bị giãn ra bởi lực kéo giữa các lớp co ngắn và dãn dài là lớp kim loại không bị ảnh hưởng bởi lực kéo và nén khi uốn và tại đây vẫn giữ được trạng thái ban đầu của kim loại và đây gọi là lớp trung hòa Sử dụng lớp trung hòa này để tính toán sức bền của vật liệu khi uốn Khi uốn những dải hẹp xảy ra hiện tượng giả chiều dày chỗ uốn sai lệch hình dạng

về tiết diện ngang, lớp trung hòa bị lệch vể phía bán kính nhỏ

Khi uốn những dải rộng cũng xảy ra hiện tượng biến dạng mỏng vật liệu nhưng không có sai lệch tiết diện ngang, vì trở kháng của vật liệu có cùng chiều rộng lớn sẽ chống lại sự biến dạng theo hướng ngang

Khi uốn phôi với bán kính có khối lượng nhỏ thì mức độ biến dạng dẻo lớn và ngược lại

Hình 2.6 Biến dạng của phôi thép trước và sau khi uốn.

2.2.3 Tính toán phôi uốn.

a) Xác định vị trí lớp trung hòa

Vị trí của lớp trung hòa được xác định bởi bán kính lớp trung hòa ρ Trong quá trình

uốn bề mặt lớp kim loại phía trong và phía ngoài của phôi bị biến dạng nén và kéo và ở giữa các lớp này là lớp trung hòa hầu như không bị biến dạng và để tính toán phôi ta tiến hành xác định vị trí lớp trung hòa và tính toán phôi tại đây

 Bán kính lớp trung hòa có thể được xác định theo công thức

ρ= ( S r +

α

2 ) .α β S

(trang 55 [5] ) Trong đó: r_bán kính uốn trong

S_chiều dày phôi (mm)

_hệ số biến mỏng

α= S1

S ; S1_chiều dày vật liệu sau khi uốn

_hệ số nở rộng β=

B tb

B ; B tb=B1+B2

2 là chiều rộng trung bình của lớp tiết diện uốn

 Trong thực tế bán kính lớp trung hòa và xác định theo công thức gần đúng

ρ =σ r + x.S



Trong đó: r_bán kính uốn phía trong

x_hệ số xác định khoảng cách lớp trung hòa đến bán kính uốn phía trong

Hệ số x được lấy theo bảng sau :(trang 55 [5] )

b) Tính chiều dài phôi.

Hình 2.7 : Tình toán chiều dài phôi khi uốn Chiều dài phôi được tính theo công thức: L=l1+l2+

πϕ

180 (r + xs) Trong đó: r_bán kính uốn ( mm )

c) Bán kính uốn nhỏ nhất và lớn nhất.

 Bán kính uốn lớn nhất được xác định theo công thức:

rngoài =σ rtrong - S Trong đó: E =σ 2,15.105 ( Nmm2 ) môđun đàn hồi của vật liệu

S_chiều dày vật uốn ( mm ) ; σ_ giới hạn chảy của vật liệu ( N/mm2 )

 Bán kính uốn nhỏ nhất được xác định theo công thức:

rmin= ( 1 δ −1 ) S 2 ( trang 56 [5] )

δ_độ giãn dài tương đối của vật liệu ( % ) Theo thực nghiệm ta có: rmin =σ K.S

Trong đó : K_hệ số phụ thuộc góc nhấn α

d) Công thức tính lực uốn.

Sau khi uốn

Lực uốn bao gồm uốn tự do liên tục và lực làm cho phôi chuyển động quanh trục

⃗

F=⃗F1+ ⃗ F2

Trong đó: ⃗ F1 _lực biến dạng dẻo kim loại.

⃗

F1 _lực làm cho phôi quay quanh trục.

Lực uốn làm biến dạng dẻo kim loại F1=BS 2 δ b n

Ở đây: k1=

nS l

e) Tính đàn hồi khi uốn.

Trong quá trình uốn không phải toàn bộ kim loại phần cung uốn đều chịu biến dạng dẻo mà có một phần còn lại ở biến dạng đàn hồi

Hình 2.8 : Tính đàn hồi khi uốn Tính toán đàn hồi được biểu hiện khi uốn với bán kính nhỏ ( r < 10s ) bằng góc đàn hồi β Còn khi uốn với bán kính lớn ( r >10s ) thì cần phải tính đến cả sự thay đổi bán kính cong của vật uốn.Góc đàn hồi được xác lập bởi hiệu số giữa góc của vật uốn sau khi dập và góc uốn theo tính : β =σ α0 – α

Thông thường β bằng khoảng 100

Mức độ đàn hồi khi uốn phụ thuộc vào tính chất của vật liệu, góc uốn, tỷ số giữa bán kính uốn với chiều dày vật liệu, hình dáng kết cấu uốn

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÁY





Khi uốn