Thiết kế máy miết chuyên dụng điều khiển tự động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI *********♦********* TRẦN TUẤN SƠN THIẾT KẾ MÁY MIẾT CHUYÊN DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUN NGÀNH: CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHÀNH : CƠNG NGHỆ HỐ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN ĐẮC TRUNG HÀ NI 2008 Mục lục Lời nói đầu Chương I Tổng quan công nghệ thiết bị miết 1.1 Giới thiệu công nghệ miết 1.2 Phân loại phương pháp miết 1.3 Các nguyên công miết điển hình 1.4 Sản phẩm phương pháp miết 12 1.5 Lịch sử phát triển thiết bị miết 15 1.6 Đặc điểm thiết bị miết 18 Chương II Cơ sở lý thuyết công nghệ miết II.1 Cơ sỏ lý thuyết 22 II.2 Công nghệ miết tóp miệng bịt đáy bình khí công nghiệp 27 II.2.1 Nhiệt trình miết 27 II.2.2 Quá trình hàn cháy tạo đáy bình 30 II.2.3 Tính toán chiều dài miết phôi 32 II.2.4 Tốc độ quay phôi miết 34 II.2.5 Bước tiến lăn 35 II.2.6 TÝnh sè b­íc miÕt 36 II.2.7 TÝnh vÕt tiÕp xóc 42 II.2.8 TÝnh lùc miÕt 44 Ch­¬ng III ThiÕt kế máy miết nóng bình khí công nghiệp A Thiết kế khí a.1 Giới thiệu số loại máy miÕt 49 a.2 TÝnh to¸n thiÕt kÕ m¸y miÕt nóng bình khí công nghiệp 50 a.3 Cụm lăn miết 53 a.3.1 Kết cấu lăn miết 53 a.3.2 Nguyên lý chuyển động lăn miết 56 a.3.3 Tính toán quỹ đạo chuyển động lăn 58 a.3.4 Sơ đồ nguyên lý cụm lăn 63 a.3.5 Kết cấu cụm lăn miết 64 a.3.6 Chuyển động lăn nguyên công bịt đáy 65 a.3.7 Chuyển động lăn nguyên công tạo miệng 67 a.4 Cụm cấu cặp 73 a.4.1 Giới thiệu chung cấu cặp 73 a.4.2 Kết cấu cấu cặp dạng ống đàn hồi 74 a.4.3 Tính toán kết cấu ống kẹp đàn hồi 77 a.4.4 Kết cấu cấu kẹp 78 a.4.5 Tính toán lực kẹp 81 a.4.6 Động học qủa trình kẹp phôi 84 a.4.7 Tính áp suất bơm dầu 85 a.4 Cụm gia nhiƯt 88 B ThiÕt kÕ ®iỊu khiĨn tù ®éng B.1 Phương pháp truyền liệu 88 B.2 Giao tiếp qua Slot Card 94 B.3 Cæng song song (LPT) 95 B.4 Tổng quan vi điều khiển 98 B.5 Các linh kiƯn sư dơng m¹ch 102 B.6 ThiÕt kÕ m¹ch điều khiển 114 Kết luận Tài liệu tham khảo Phụ lục lời nói đầu Trong tiến trình hội nhập phát triển, kinh tế đà nhận thành công đáng kể Với mục đích tăng trưởng tăng trưởng bền vững phải liên tục học hỏi, phát triển khoa học kỹ thuật để từ đa dạng hóa sản phẩm, tăng chất lượng suất nhằm tăng tính cạnh tranh môi trường toàn cầu hóa Để thực đòi hỏi khắt khe đó, tập trung phát triển sản xuất lấy sản xuất khí làm trọng tâm phát triển Đó hướng đắn, thực tế giới đà chứng minh quốc gia muốn phát triển, trước hết phải tập trung vào phát triển khoa học công nghệ nước nhà Với kinh nghiệm thành công nhiều nước giới, đà có hành động cụ thể đà bước đầu gặt hái thành công đáng kể Nhưng phải đối mặt với nhiều thách thức to lớn , khí Việt Nam lạc hậu với đa phần máy móc công nghệ thừa hưởng từ thập niên 70, 80 kỷ trước Chính mục tiêu trước mắt lâu dài đặt cho cần phải cải tiến nâng cấp thiết bị không ngừng phát triển, cập nhật công nghệ sản xuất tiên tiến Trong năm gần đây, ghi nhận nghiên cứu thành công ứng dụng hiệu nhiều phương pháp Gia công kim loại áp lực Một công nghệ phương pháp gia công kim loại công nghệ miết Miết phương pháp gia công kim loại áp lực đà thực tế khẳng định tính hiệu kinh tế đặc biệt việc sản xuất sản phẩm với số lượng vừa nhỏ đòi hỏi có chất lượng cao mà ứng dụng sản xuất nhiều chi tiết khó Công nghệ Miết ứng dụng sản xuất đa dạng với nhiều chủng loại sản phẩm dạng khối Công nghệ Miết thể nhiều ưu điểm bật mà phương pháp khác được, sản phẩm của công nghệ ứng dụng rộng rÃi nhiều lĩnh vực từ đồ dụng gia dụng , thiết bị công nghiệp , tới chi tiết đòi hỏi độ xác cao hàng không vũ trụ Với phát triển mạnh mẽ mình, phương pháp công nghệ Miết xem công nghệ tiên tiến thay cho nhiều công nghệ gia công biến dạng kim loại áp lực Đề tài nghiên cứu Miết đà môn Gia công áp lực Trường Đại Học Bách Khoa nghiên cứu suốt năm trở lại đạt nhiều thành công Tuy nhiên, trình hội nhập, khí tự động hóa phát triển, việc phát triển máy móc thiết bị lên hệ điều khiển tự động trọng tâm hàng đầu Cơ khí Việt nam Đề tài thiết kế máy Miết chuyển dụng có điều khiển tự động trọng ứng dụng điều khiển tự động cho máy Gia công áp lực Hiện có tài liệu, công trình nghiên cứu vấn đề , việc chưa có sở sản xuất ứng dụng công nghệ đem lại hiệu cho kinh tế quốc dân Do việc tiến hành nghiên cứu công nghệ, thiết bị, từ đưa vào sản xuất bình khí công nghiệp phương pháp Miết máy tự động Việt Nam nhằm thoà mÃn nhu cầu lớn sản phẩm nội địa Trong luận văn thạc sỹ ,tôi tập trung vào việc giải vấn đề công nghệ phương pháp miết chế tạo bình khí công nghiệp, xem xét yếu tố công nghệ để từ đời thiết bị Miết chuyên dụng có điều khiển tự động Nhân xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Đắc Trung, toàn thể thầy giáo môn Gia công áp lực Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Cảm ơn giúp đỡ bảo tận tình thầy đà giúp hoàn thành luận văn mình, học hỏi thêm kiến thức cần thiết để học tập nghiên cứu Hà Nội , tháng năm 2009 Tác giả Chương i công nghệ miÕt I.1 Tỉng quan vỊ c«ng nghƯ MiÕt C«ng nghƯ Miết phương pháp gia công kim loại áp lực Phôi miết phôi phẳng phôi rỗng chuyển động quay suốt trình miết, lực tác dụng lên phôi làm phôi biến dạng cục liên tiếp điểm tiếp xúc từ tạo chi tiết rỗng Có từ lâu đời, Công nghệ Miết đà biết tới từ thời Hy Lạp cổ đại, người ta đà biết sử dụng thiết bị thô sơ để để miết tạo hình kim loại mỏng để tạo đồ mỹ nghệ, vật dụng dạng tròn xoay như: nồi, bình hoa Người ta thấy sản phẩm tròn xoay rỗng kim loại mềm vàng, bạc, đồng làm phương pháp tương đối dễ dàng nhờ ưu điểm cần vật dụng đơn giản, thô sơ với thao tác đơn giản, sức lực bỏ không cần lớn Sang kỷ 19, công nghệ miết ứng dụng nhiều vào việc sản xuất đồ dân dụng, công nghiệp đơn giản phục vụ cho đời sống Lúc vật liệu sử dụng chế tạo sản phẩm đà bao gồm nhôm thép Người ta đà tìm cách ứng dụng công nghệ miết ép kim loại cứng với kích thước sản phẩm lớn Ngày công nghệ miết ép đà ứng dụng rộng rÃi nhiều lĩnh vực công nghiệp khác như: chế tạo khí, hoá dầu, sản xuất hàng dân dụng Sản phẩm chế tạo từ công nghệ đa dạng, từ chi tiết rỗng nhỏ vài mm đến đáy bình áp suất đường kính tới ữ m Các chi tiết có hình dạng phức tạp công nghiệp hoá chất, hóa dầu, hàng không, vũ trụ đà thực công nghệ miết ép Công nghệ Miết với ưu điểm đa dạng phong phú chủng loại, hình dáng, kích cỡ vật liệu chế tạo sản phẩm, đà ứng dụng hầu hết ngành công nghiệp nước ta: công nghiệp hàng tiêu dùng, công nghiệp sản xuất ôtô, công nghiệp quốc phòngMặt khác, với mạnh công nghệ so với phương pháp sản xuất khí khác dập vuốt, miết dựa biến dạng cục phần sản phẩm nên lực công nghệ yêu cầu nhỏ nhiều, dẫn đến yêu cầu trang thiết bị nhỏ gọn phù hợp với sản xuất loạt nhỏ, hay đơn Hiện giới, nước công nghiệp phát triển Mỹ, Nga, Đức đà đạt nhiều thành tựu việc áp dụng công nghệ miết để chế tạo chi tiết khó, phức tạp Họ đà sản xuất máy miết đại điều khiển theo chương trình số có công suất lớn ứng dụng mạnh mẽ vào công nghiệp nặng Các máy miết chuyên dụng thiết kế để chế tạo số chủng loại sản phẩm xác định có kiểu dáng kích thước phù hợp với chủng loại sản phẩm Tuy nhiên tình hình phát triển công nghệ miết mạnh mẽ giới vậy, với điều kiện sản xuất nước ta, sở sản xuất khí chưa thể chế tạo máy miết chuyên dụng đại, mà chủ yếu máy miết công suất vừa lớn điều khiển theo chương trình số nhập từ nước với giá thành cao Chính điều đà hạn chế lớn đến việc ứng dụng, phát triển công nghệ miết nước ta Đồng thời đặt cho nhà khoa học hoạt động lĩnh vực khí nước nhà toán cần tìm lời giải ứng dụng, phát huy công nghệ miết với ưu vượt trội vào điều kiện sản xuất nước ta I.2 Phân loại phương pháp miết I.2.1 Phân loại theo đặc điểm phôi + Miết phôi phẳng + Miết phôi ống + Miết phôi dạng thể tích I.2.2 Phân loại theo hình dạng sản phẩm + Sản phẩm tròn xoay + Sản phẩm dạng xoáy ốc + Sản phẩm có biên dạng phức tạp + Sản phẩm có kích thước đặc biệt I.2.3 Phân loại theo vị trí cặp dụng cụ biến dạng + Dưỡng trong, lăn (Hình I.1 a) + Dưỡng ngoài, lăn (Hình I.1.b) + Con lăn miết không dưỡng (Hình I.1.c) a) b) c) Hình I.1 Phân loại phương pháp miết theo vị trí dụng cụ gia công I.2.4 Phân loại theo dạng gia công yêu cầu sản phẩm + Miết tạo hình sản phẩm: sản phẩm sau miết đạt hình dáng kích thước yêu cầu Hình I.2.a + Miết không biến mỏng : trước sau trình tạo hình , chiều dày vật liệu không thay đổi Hình I.2 b + Miết biến mỏng : chiều dày phôi bị thay đổi trình tạo hình sản phẩm Thông thường mức độ biến mỏng đạt tới 30% Hình I.2 b + Miết nâng cao chất lượng bề mặt sản phẩm : mục đích tăng độ nhẵn bóng tạo biến cứng bề mặt sản phẩm mà không làm thay đổi chiều dày hình dạng sản phẩm Hình I.2 c a) b) c) Hình I.2 Phân loại phương pháp miết theo dạng gia công I.2.5 Phân loại theo hướng biến dạng vật liệu chuyển động tương đối dụng miÕt + MiÕt thn: chiỊu chun ®éng cđa dơng miÕt cïng chiỊu víi h­íng ch¶y cđa vËt liƯu Hình I.3.a + Miết ngược: chiều chuyển động dụng cụ miết chiều dày kim loại ngược hướng trình miết Hình I.3.b a) b) Hình I.3 Phân loại miết theo hướng chuyểm động dụng cụ I.2.6 Phân loại theo nhiệt độ tiến hành miết + Miết nguội : trình miết tiến hành nhiệt độ bình thường vật liệu phôi Thường trình miết nguội tiến hành với miết phôi + Miết nóng : trình miết tiến hành sau nung nóng đến nhiệt độ định , gọi nhiệt độ tạo hình I.3 Các nguyên công miết điển hình I.3.1 Miết phôi Công nghệ miết phôi áp dụng cho loại thép không gỉ hợp kim titanium , inconnel , hastelloy miết chi tiết với đương kính phôi lên đến gần m , chiều dầy 76 mm với nhôm 38 mm với thép hợp kim Hình I.4 Sơ đồ nguyên lý phương pháp miết phôi Hình I.5 Một số sản phẩm phương pháp miết phôi I.3.2 Miết phôi ống I.3.2.1 Tạo hình sản phẩm từ phôi ống Phôi ban đầu qúa trình miết có dạng phôi ống , chúng gá kẹp máy miết tương tự trường hợp miết phôi Sau nhờ tác động lăn miết thực trình tạo hình cho sản phẩm đạt hình dáng , kích thước yêu cầu Quá trình thường thực trạng thái nguội S nguyờn lí mạch chuyển đổi RS232-485 118 Sơ đồ layout Mạch chuyển đổi RS232-RS485 Đối với mạch đa chuyển đổi giao thức truyền nhận RS232 thông thường sang giao thức RS485, chuẩn giao tiếp hổ trợ giao mạng sử dụng mạng truyền thông công nghiệp Đối với mạch chuyển đổi RS232-RS485 chân DI RO đưa vào chân RX TX Max232 truyền nhận tín data từ máy tính Cịn mạch giao tiếp với Vi điều khiển chân đưa vào chân RX TX vi điều khiển truyền nhận liệu với vi điều khiển 119 Sơ đồ nguyên lí mạch giao tiếp RS485-Vi điều khiển Như sơ đồ chân DI DO max 485 đưa vào chân RX TX Atmega88-Attiny2313 Khi muốn giao tiếp nhiều mạng 485 với việc phân địa cho mạng để thuận tiện cho trình truyền nhận Data thời điểm có mạng 485 truyền khơng mạng truyền xảy xung đột Như lập trình cho địa (driver) phải đặt dịa rõ ràng cho (driver) không muốn liệu bị truyền sai địa truyền nhầm (driver) không đến xung đột B.6.3.3 Khối vi điều khiển a) Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển ATMEGA88 120 Nhiệm vụ: truyền , nhận data từ vi điều khiển đên PC ngược lại, xử lý data để đưa tín hiệu điều khiển đến mạch cơng suất -Vi điều khiển atmega88 hoạt nhờ tạo dao động gồm : thạch anh 20M , tụ 22p nối với chân PB6,PB7 -PB1->PB5 nối với cơng tác lựa chọn trạng thái -PB0,PD5->PD7 nối với tín hiệu cơng tắc hành trình -PD0,PD1 giao tiếp với PC -PD2,PD3 tạo tín hiệu điều khiển động tương ứng quay thuận nghịch -PC0,PC1 tạo tín hiệu điều khiển động tương ứng quay thuận nghịch -PC2->PC5 tạo tín hiệu điều khiển xylanh khí nén -PC6 nối với chân reset b) Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển ATTINY2313 Nhiệm vụ: truyền , nhận data từ vi điều khiển đên PC ngược lại, xử lý data để đưa tín hiệu điều khiển đến mạch cơng suất 121 -Vi điều khiển attiny2313 hoạt nhơ tạo dao động gồm: thạch anh 20M , tụ 22p nối với chân PA1,PA0 -PB0->PB3 nối với công tác lựa chọn trạng thái -PD2->PD6 nối với tín hiệu cơng tắc hành trình -PD0,PD1 giao tiếp với PC -PB4->PB7 nối tín hiệu điều khiển động bước B.6.3.4 Khối mạch công suất a) Sơ đồ nguyên lý mạch công suất điều khiển động bước 122 Mạch công suất thiết kế nhằm khuếch đại cơng suất điều khiển Từ tín hiệu điều khiển có dịng thấp cỡ mA , áp 5V lên áp 12V 24V với dịng vài A Vì khác biệt mức điện điều khiển công suất nên ta sử dụng cách ly quang để cách ly hai phần với Cách ly quang sử dụng loại P521, Sơ đồ gồm cách ly quang : Khóa cơng suất sử dụng Tran trường IRF 540 với điện trở kéo chân chân 10k Để tạo tín hiệu ổn định cho Tran trường IRF 540 ,trong mạch có sử dụng tran thường C1815 A1015 mắc theo kiểu khuếch đại đẩy kéo làm cho góc mở Tran trường IRF 540 ổn định Tạo từ trường tốc độ động bước có xu hướng ổn định Sơ đồ nguyên lý: 123 b) Sơ đồ nguyên lý mạch công suất điều khiển động chiều 124 Cũng đươc thiết kế giống với động bước nối thêm RƠ_LE cuộn hút để đảo chiều đơng c) Sơ đồ nguyên lý mạch công suất điều khiển val xylanh (giống động bước) d) Mạch điều khiển 125 126 B.6.3.5 Khối nguồn cho hệ thống Mạch sử dụng nguồn chiều 24V qua diot D6 tụ loc vào chân IN LM7805 cho nguồn 5V vào vi iu khin 127 Đánh giá kết qủa đạt Việc ứng dụng công nghệ Miết chế tạo bình khí công nghiệp Việt Nam lĩnh vực tương đối mẻ Trước nhu cầu to lớn thị trường bình khí công nghiệp thị trường nội địa , Nhà nước ta đà thể tâm lớn việc tiến tới sản xuất chế tạo bình khí công nghiệp chịu áp suất cao Việt Nam Cơ thĨ lµ , víi sù tin t­ëng cđa Bộ Khoa học công nghệ , môn Gia công áp lực trường Đại học Bách Khoa Hà Nội vui mừng tự hào đà nhận thực đề tài cấp Nhà nước việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ miết chế tạo bình khí công nghiệp điều kiện sản xuất Việt Nam Trong thêi gian qua , bé m«n Gia c«ng áp lực đà thực số nghiên cứu vấn đề đà thu thành công đáng kể Trong phải kể tới luận văn thạc sỹ Thạc sỹ Nguyễn Ngọc Tòng đề tài "ứng dụng công nghệ miết để bịt kín đáy tóp miệng phôi ống dày Kế thừa kết , đà tập trung giải vấn đề mà nghiên cứu trước chưa đề cập tới Đó việc thiết kế chuyển động lăn thực hai nguyên công tóp miệng bịt đáy phôi ống từ đưa kết cấu cụm lăn miết, kết cÊu tỉng thĨ cđa m¸y miÕt cïng víi thiÕt kÕ hệ thống điều khiển hệ thống máy Với đà làm hy vọng thầy môn Gia công áp lực khoa Cơ khí giúp đỡ phát triển hoàn thiện đề tài luận văn để góp sức vào việc sản xuất bình khí chịu áp lực cao Việt Nam 128 Kết luận Nhu cầu máy gia công bình khí áp lực phương pháp Miết ngày thiết thực hơn, đặc biệt trình khí hóa tự động hóa nước nhà, máy móc cần thiết điều khiển số Thị trường đòi hỏi bình khí công nghiệp đạt tiêu chuẩn an toàn điều kiện kỹ thuật phải làm việc điều kiện khắc nghiệt với áp suất cao nhiên giá thành phải cạnh tranh Do yêu cầu nghiên cứu công nghệ để tiến tới chế tạo máy chuyên dụng chế tạo bình khí công nghiệp Việt Nam nhằm thoà mÃn nhu cầu nước vấn đề thực tế cấp thiết Luận văn thạc sỹ đà tập trung giải vấn đề chủ yếu toán miết phôi ống trạng thái nóng, thiết kế hệ thống khí, thiết kế hệ thống điều khiển máy miết chuyên dụng Việc tính toán xác công nghệ miết nóng không đơn giản, biến dạng miết qúa trình động, miền biến dạng miết xảy cục thay đổi trình tạo hình Hơn nữa, miết nóng phụ thuộc vào nhiều yếu tố vật liệu, thông số động lực học trình miết nhiệt độ miết.Vì luận văn đà đưa lựa chọn phương án công nghệ hợp lý; tính toán toán biến dạng, tìm trường ứng suất biến dạng phôi; tính toán thông số công nghệ trình miết phôi Thiết kế máy Miết chuyên dụng có điều khiển tự động luận văn hy vọng tài liệu để phát triển ứng dụng chế tạo máy chuyên dụng, luận văn hi vọng đề tài mở để sinh viªn, kü s­ cã thĨ tiÕp tơc nghiªn cøu công nghệ, dựa vào máy để làm thực nghiệm đưa thông số công nghệ tối ưu Luận văn có kế thừa số nghiên cứu đà tiến hành công nghệ miết phôi trạng thái nóng Và tập trung giải vấn đề mới, không phần quan trọng Đất nước ta tiến hành công nghiệp hoá đại hoá , lĩnh vực công nghiệp Nhà nước ta chủ trương tăng cường sức mạnh công nghiệp 129 chủ trương tăng cường sản xuất nội địa Với đà làm , hy vọng đóng góp cho ngành khí nói chung ngành gia công áp lực nói riêng đóng góp cho việc thực hoá việc sản xuất chế tạo bình khí công nghiệp Việt Nam Hà Nội , tháng năm 2009 Tác giả 130 Tài liệu tham khảo Nguyễn Tất Tiến , Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại , NXBGD 2004 Đinh Bá Trụ , Hà Minh Hùng : Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại, NXBKHKT .., , 1983 Nguyễn Ngọc Tòng , ứng dụng công nghệ miết để tóp miệng bịt kín đáy phôi ống dày, Luận văn cao học 2005 Nguyễn Mậu Đằng , Công nghệ rèn dập nóng , NXB B¸ch Khoa 2006 Hå TrÝ Dịng , ThiÕt kÕ máy miết dùng để thực nguyên công bịt kín đáy tóp miệng phôi ống có đường kính đến 220 chiều dày đến 10mm , Luận văn tốt nghiệp 2005 Phạm Văn Nghệ , Đỗ Văn Phúc : Máy búa máy ép thuỷ lực , NXB Gi¸o Dơc 2003 Ngun TÊt TiÕn : Lý thuyết dập tạo hình , ĐHBKHN 2000 Trịnh Chất , Lê Văn Uyển : Tính toán thiết kế hệ dẫn động khí , NXB GD 2001 10 Nghiêm Hùng : Giáo trình Vật liệu học , ĐHBKHN 1999 131 Phụ lục 01 Bản vẽ tổng thể máy miết 01 Bản vẽ cụm lăn miết 01 Bản vẽ cụm cấu cặp 01 Bản vẽ chế tạo chi tiết ống đàn hồi 01 Bản vẽ chế tạo lăn miết 01 Bản vẽ chế tạo khôi tỳ 132 ... móc thiết bị lên hệ điều khiển tự động trọng tâm hàng đầu Cơ khí Việt nam Đề tài thiết kế máy Miết chuyển dụng có điều khiển tự động trọng ứng dụng điều khiển tự động cho máy Gia công áp lực... có điều khiển tự động thực nguyên công miết bịt đáy miết tóp miệng phôi ống chế tạo bình khí công nghiệp 48 Chương III Thiết kế máy miết CHUYÊN dụng có điều khiển tự động A Thiết kế khí A.1 Giới... dạng, cụm lăn miết điều khiển cách linh hoạt thực quỹ đạo phức tạp Do đó, việc thiết kế, chế tạo đưa vào ứng dụng thực tế thiết bị Miết chuyên dùng có điều khiển tự động yêu cầu cấp thiết nhằm