Nghiên cứu chế tạo bánh cán ren vít để lắp đường ray với tà vẹt bê tông

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÁNH CÁN REN VÍT ĐỂ LẮP ĐƯỜNG RAY VỚI TÀ VẸT BÊ TÔNG NGUYỄN HỮU PHẤN THÁI NGUYÊN - 2009 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời cam đoan Việc nghiên cứu chuyển giao công nghệ thay hàng ngoại nhập góp phần làm tăng lực cạnh tranh nhà sản xuất nước Dựa yêu cầu thực tiễn việc đổi ngành đường sắt, luận văn chọn hướng nghiên cứu chế tạo chi tiết vít để lắp đường ray với Tà vẹt Bê tông nhập ngoại nhằm tăng hiệu kinh tế - kỹ thuật Ngành Mặc dù, có cố gắng nhiều việc tính tốn, thiết kế, chế tạo thử nghiệm nội dung luận văn cịn nhiều thiếu sót cịn nhiều điểm cần đề xuất trao đổi, thảo luận thêm Tác giả mong trân trọng đóng góp, phê bình thầy giáo đồng nghiệp luận văn Em xin trân trọng cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Đào tạo sau Đại học Trường Đại học KTCN, Ban Giám hiệu Ban Chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật Công nghiệp Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật tạo điều khiện thuận lợi cho em suốt trình học tập hoàn thành luận văn Xin trân trọng cảm ơn thầy giáo Hội đồng bảo vệ Đề cương luận văn Thạc sỹ góp ý, chỉnh sửa phê duyệt đề cương để luận văn em hoàn thành với nội dung tốt Đặc biệt, em xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Trần Vệ Quốc tận tình hướng dẫn em hồn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, cộng tác viên giúp đỡ, thảo luận đề xuất giải pháp tốt trình viết luận văn xây dựng mơ hình thiết bị thử nghiệm Xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè động viên, cổ vũ tinh thần vật chất cho thân suốt trình học tập làm luận văn Em xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu em hướng dẫn PGS.TS Trần Vệ Quốc thực suốt thời gian làm luận văn HỌC VIÊN Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Nguyễn Hữu Phấn MỤC LỤC Trang PHẦN MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Ý nghĩa đề tài Nội dung nghiên cứu Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁN REN 1.1 Đặc điểm cán ren 1.1.1 Đặc điểm ren cán 1.1.2 Các phương pháp cán ren Nguyên lí chung phương pháp cán ren Các phương pháp cán ren 1.1.3 Dụng cụ cán ren 1.1.4 Phương pháp chế tạo vít bắt đường ray với tà vẹt bê tơng dự ứng lực 1.2 Giới thiệu phần mềm xây dựng mơ hình 3D bánh cán 1.3 Phương pháp tính bền bánh cán 12 1.3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn 13 Khái quát phương pháp phần tử hữu hạn 13 Phương pháp phần tử hữu hạn với biến dạng phẳng 15 1.3.2 Giới thiệu phần mềm tính bền cho bánh cán 24 Giới thiệu phần mềm ANSYS 24 Đặc điểm phần mềm 25 Một số đại lượng cần ý 29 1.4 Kết luận chương 32 1.4.1 Nhận xét Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.4.2 Xác định hướng nghiên cứu đề tài 32 Chương 2: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ BÁNH CÁN REN VÍT LẮP 34 ĐƯỜNG RAY TẦU VỚI TÀ VẸT BÊ TƠNG DỰ ỨNG LỰC 2.1 Phân tích hình dáng, kích thước ren vít 34 2.2 Thiết kế hình dáng hình học bánh cán 34 2.2.1 Biên dạng xoắn bánh cán 34 2.2.2 Điều kiện cán vào 35 2.2.3 Xác định kích thước cúa bánh cán 37 2.2.4 Vật liệu bánh cán 38 2.2.5 Lập vẽ chế tạo bánh cán 39 2.3 Xây dựng mơ hình 3D bánh cán ren phần mềm 40 Pro/engineer Tính bền bánh cán 45 2.4.1 Tính tốn lực bánh cán 45 2.4.2 Sơ đồ phân bố lực bánh cán 46 2.4 2.4.3 Sử dụng phần mềm ANSYS tính bền bánh cán 47 Sơ đồ khối chương trình tính bền bánh cán 47 Các bước tiến hành 47 Phân tích trường ứng suất biến dạng 50 2.4.4 Điều kiện bền 60 2.4.5 Xác định đường kính tối thiểu bánh cán 60 2.5 Chế tạo thử nghiệm bánh cán 62 2.5.1 Bản vẽ lồng phôi bánh cán 62 2.5.2 Chế tạo thử bánh cán 63 2.5.3 Kết kiểm tra bánh cán sau chế tạo thử 64 Kiểm tra vật liệu bánh cán 64 Kiểm tra kích thước, sai lệch hình dáng hình học vị trí tương 64 quan hai bánh cán Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Kiểm tra nhám bề mặt 69 Kết kiểm tra độ cứng bề mặt ren bánh cán 69 2.6 70 Kết luận chương Chương CÁN THỬ NGHIỆM REN VÍT 71 3.1 Cán thử ren vít 71 3.2 Kết kiểm tra sản phẩm vít 71 3.3 Kết luận chương 72 KẾT LUẬN CHUNG 73 Kết luận 73 Hướng phát triển đề tài 74 CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 75 76 77 http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên đại lượng Đơn vị P Lực tác dụng bánh cán lên phôi N T Lực ma sát bánh cán phơi N  Góc bánh cán ăn phơi độ f Hệ số ma sát phơi  Góc ma sát độ D Đường kính chân ren bánh cán mm N Số đầu mối ren bánh cán d Đường kính trung bình ren cần cán mm T Chiều cao phần biến dạng ren cán mm Thông số đánh giá độ nhám bề mặt m Tcán Nhiệt độ cán Pp Lực cán hướng kính N Pt Lực cán tiếp tuyến kính N Ppi Lực cán hướng kính đỉnh ren bánh cán N Pti Lực cán tiếp tuyến kính đỉnh ren bánh cán N Rz, Ra x, y u, v, w C Hệ trục chung Các thành phần chuyển vị theo phương x, y, z ui Giá trị u phần tử thứ i  Đạo hàm riêng hàm số Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn N iee  ξ h(e) εx, εy Hàm quan hệ nút ie Gia số điểm tuỳ ý phần tử mm Chiều dài phần tử Các thành phần biến dạng dài theo phương x, y γxy Thành phần biến dạng dài góc mặt phẳng xy  x , y , z Các thành phần ứng suất pháp hệ toạ độ xyz [B] Ma trận quan hệ  e ε (e) Diện tích phần tử e [K]   P PTHH (FEM) PT Lực biến dạng phần tử Phương trình độ cứng vật thể Phần tử hữu hạn Phần tử Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TT Bảng số 1.1 Nội dung Trang Cơ tính trung bình vít với ren gia công hai phương pháp cán cắt 2.1 Thành phần hố học tính chất cơ, lý thép 35 34 2.2 Kích thước then bánh cán 38 2.3 Kí hiệu thép X12M 38 2.4 Thành phần hoá học tính chất cơ, lý thép X12M 38 2.5 Kết kiểm tra thành phần hoá học vật liệu bánh 64 cán Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TT Hình số Nội dung 1.1 Đặc điểm ren 1.2 Công nghệ cán ren 1.3 Các kiểu dụng cụ cán 1.4 Nguyên lý cán ren 1.5 Công nghệ cán ren bàn cán 1.6 Công nghệ cán ren bánh cán trụ 7 1.7 Cán ren phôi chuyển động hành tinh 8 1.8 Đinh vít bắt đường ray với tà vẹt bê tơng dự ứng lực 12 1.9 Mơ hình tính tốn, chế tạo bánh cán 12 10 1.10 Quá trình phân chia miền nội suy hàm quan 12 Trang hệ 11 1.11 Trạng thái ứng suất biến dạng phân tố diện tích phẳng 13 hệ xoy 12 1.12 Quan hệ phần tử theo hai phương 19 13 1.13 Phần tử chia 20 14 1.14 Giao diện làm việc ANSYS 20 15 2.1 Đinh vít bắt đường ray với tà vẹt bê tơng dự ứng lực 21 16 2.2 Hướng xoắn bánh cán 21 17 2.3 Sơ đồ điều kiện cán vào 22 18 2.4 Mặt phẳng vẽ mặt phẳng chuẩn 22 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 19 2.5 Sketch biên dạng bánh cán 23 20 2.6 Xác định kích thước chiều dài Extrude 23 21 2.7 Đường trung bình ren bánh cán 24 22 2.8 Tiết diện ren bánh cán 24 23 2.9 Tạo đầu mối 25 2.10 Mô hình 3D đường ren bánh cán 25 24 2.11 Merge bề mặt ren bề mặt trụ 27 25 2.12 Mơ hình 3D sau merge 26 2.13 Tạo khối Solid (Solidify) 30 27 2.14 Mơ hình 3D bánh cán ren 35 28 2.15 Mơ hình chịu lực bánh cán 36 29 2.16 Sơ đồ khối phân tích ứng suất biến dạng bánh cán 44 30 2.17 Xây dựng mơ hình 3D bánh cán 47 31 2.18 Mơ hình 3D bánh cán ANSYS 48 32 2.19 Chọn kiểu phần tử bánh cán 48 33 2.20 Chọn vật liệu bánh cán 49 34 2.21 Chia lưới cấu trúc bánh cán 49 35 2.22 Biến dạng theo x (xmax =0.0137mm) 50 36 2.23 Biến dạng theo y (ymax =0.00067mm) 50 37 2.24 Biến dạng theo z (zmax =0.00079mm) 51 38 2.25 Biến dạng tổng (max =0.0137mm) 52 39 2.26 Ứng suất pháp x (xmax=226.6MPa ) 52 40 2.27 Ứng suất pháp y (ymax=83.33MPa ) 52 41 2.28 Ứng suất pháp z (zmax=56.9MPa ) 53 42 2.29 Ứng suất tiếp τxy(τxymax=367.25MPa ) 53 43 2.30 Ứng suất tiếp τyz (τyzmax=22.85MPa ) 54 44 2.31 Ứng suất tiếp τxz (τxzmax=203.73MPa ) 54 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 28 http://www.lrc-tnu.edu.vn 83 2.6 Kết luận chương - Việc xây dựng mơ hình 3D bánh cán phần mềm Pro/engineer làm đơn giản hoá bước kiểm tra bền cho bánh cán phần mềm ANSYS - Pro/engineer kết nối với máy CNC tăng tính tự động hố q trình sản xuất nâng cao độ xác sản phẩm - Kết tính tốn bánh cán tác động lực nhiệt độ cao đảm bảo điều kiện làm việc - Với đường kính bánh cán ban đầu 150 mm hạ cod đến đường kính Dmin = 145mm mà đảm bảo điều kiện bền biến dạng - Phương pháp sử dụng kiểm tra cho loại bánh cán ren khác - Bánh cán làm vật liệu X12M thuộc nhóm khó gia cơng nên gia cơng bánh cán gặp nhiều khó khăn, đặc biệt bề mặt ren Tuy nhiên, tác giả kết nối thành công máy tiện CNC với phần mềm Pro/engineer, từ hạn chế sai số - Đã chế tạo bánh cán kiểm tra kết gia công đạt yêu cầu kỹ thuật Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 84 Chương CÁN THỬ NGHIỆM REN VÍT 3.1 Cán thử ren vít Bánh cán sau chế tạo thử kiểm tra phương tiện đại cho kết đáp ứng yêu cầu kỹ thuật Tuy nhiên, kết thực lý thuyết mà chưa qua thực nghiệm, nhằm đánh giá xác kết tác giả tiến hành sử dụng bánh cán để cán thử nghiệm ren vít Việc chế tạo thử vít thực máy cán ren ngang 5822, phôi dùng chế tạo vít có 21,8mm; chiều dài phơi trước cán ren l = 87mm, nhiệt độ cán 800 0C với thao tác nung phôi theo bước sau: - Nung sơ bộ: + Nhiệt độ nung: 2500C + Thời gian nung giữ nhiệt (t): t = a K D’ (3.1) a- Hệ số nung, a = 1(ph/mm) K- Hệ số vào lị, K = D’– Chiều dày có ích chi tiết, d = 21,8 mm - Nung nóng giữ nhiệt đến nhiệt độ cán: + Nhiệt độ nung: 8000C + Thời gian nung(t): t = (a+b) K.D’ (3.2) a- Hệ số nung, a = 1,5(ph/mm) b - Hệ số nung tới nhiệt độ sơ bộ, b = 2(ph/mm) K- Hệ số vào lò, K = D’– Chiều dày có ích chi tiết, d = 21,8 mm Thay số: t = (1,5 + 2).2 21,8 = 152,6 (ph) 3.2 Kết sản phẩm vít Kết sau cán ren: chiều dài phần ren cán tăng lên khoảng 15% tương ứng (5 ÷ 6)mm, đường kính đỉnh ren tạo 23,6mm Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 85 Sản phẩm vít tạo bánh cán cho kết tốt, ren vít có biên dạng chuẩn biên dạng ren mẫu Việc sản phẩm vít sử dụng lắp ghép thực tế cho kết đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, chất lượng vít nhập ngoại phương pháp kiểm tra tổng hợp đánh giá xác chất lượng vít Hình 3.1 Sản phẩm vít cán 3.3 Kết luận chương - Để tạo ren vít u cầu q trình cán vít cần đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cán ren - Bánh cán sau cán thử vít đảm bảo điều kiện làm việc - Sản phẩm vít cán bánh cán đạt yêu cầu kỹ thuật, sử dụng lắp ghép thử nghiệm đánh giá đảm bảo thay hàng nhập ngoại Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 86 KẾT LUẬN CHUNG Kết luận Đã nêu số đặc điểm chủ yếu cán ren Lựa chọn phương pháp chế tạo ren vít hợp lí làm nâng cao chất lượng hạ giá thành sản phẩm so với ren vít nhập ngoại Từ giúp cho việc sử dụng nguồn vốn đầu tư hiệu Đã thiết kế bánh cán ren vít lắp đường ray với tà vẹt bê tơng dự ứng lực sở vít nhập ngoại Tìm hiểu tính năng, đặc điểm phần mềm Pro/engineer ứng dụng việc thiết kế mơ hình 3D bánh cán Việc sử dụng phần mềm Pro/engineer giúp xây dựng nhanh, xác điều chỉnh kích thước bánh cán theo yêu cầu thiết kế Xác định số quan hệ biến dạng phương pháp phần tử hữu hạn giải toán học Tìm hiểu tính năng, đặc điểm phần mềm phần mềm ANSYS ứng dụng tính tốn kiểm tra bền cho bánh cán nóng Đã tìm hiểu mối quan hệ phần hai phần mềm Pro/engineer ANSYS phục vụ cho việc tính tốn thiết kế bánh cán Sử dụng phần mềm ANSYS giúp cho việc tính bền cho bánh cán nhanh xác Đây sở sử dụng hợp lý vật liệu bánh cán 10 Việc tính tốn bền cho bánh cán sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn tích hợp phần mềm ANSYS cho phép xác định đầy đủ, xác điều kiện biên toán (tải, nhiệt liên kết) ảnh hưởng kết cấu, tính vật liệu chế tạo bánh cán đền độ bền 11 Sử dụng phần mềm tính tốn thiết kế giúp đánh giá nhanh tính khả thi việc thiết kế 12 Đưa giá trị tối thiểu đường kính bánh cán thơng qua tính bền làm sở quan trọng cho người sử dụng 13 Kết nối thành công máy tiện CNC phần mềm Pro/engineer Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 87 14 Chế tạo thành công bánh cán loại vật liệu khó gia cơng X12M 15 Tiến hành cán thử kiểm tra kết vít đạt chất lượng 16 Nghiên cứu chế tạo thành cơng vít lắp đường ray bê tông dự ứng lực đáp ứng nhu cầu nội địa hoá sản phẩm khí Hướng phát triển đề tài Nghiên cứu chế tạo bánh cán loại vật liệu tốt để tăng tuổi thọ bánh cán: vật liệu có thêm nguyên tố hoá học Va, W Chọn vật liệu chế tạo vít tốt (sử dụng thép hợp kim) để nâng cao chất lượng sử dụng hiệu kinh tế Ngành đường sắt Nghiên cứu công nghệ mài rãnh xoắn bánh cán đá mài CBN sử dụng phương pháp chép hình Nghiên cứu công nghệ mài rãnh xoắn bánh cán đá mài CBN sử dụng phương pháp bao hình Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn 88 CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN PGS TS Trần Vệ Quốc, KS Nguyễn Hữu Phấn (2009), Tính tốn, thiết kế chế tạo bánh cán ren vít dùng ghép kết cấu cường độ cao, Số144, Tạp chí khí Việt Nam, Hà Nội Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS TS Phan Văn Hạ (1999), Phương pháp cán kim loại thông dụng, NXB Khoa học & Kỹ thuật [2] Đỗ Hữu Nhơn (2002), Các phương pháp cán kim loại thông dụng, Hà Nội [3] PGS TS Nguyễn Đắc Lộc, PGS TS Lê Văn Tiến, PGS TS Ninh Đức Tốn, TS Trần Xuân Việt (2001), Sổ tay Công nghệ chế tạo máy, Tập 1,2,3, NXB Khoa học & Kỹ thuật [4] Đinh Bá Trụ, Hoàng Văn Lợi (2003), Hướng dẫn sử dụng ANSYS, NXB Khoa học & Kỹ thuật, Hà Nội [5] GS A A.Smưcôv (1973), Sách tra cứu nhiệt luyện, NXB Khoa học & Kỹ thuật [6] GS.TS I.I Xêmemtsenko, GS.TS V.M Matyusin, G.N Xakharov (1975), Thiết kế dụng cụ cắt kim loại, Tập2, NXB Khoa học Kỹ thuật [7] Các tác giả (2000), Bu lông cường độ cao, XNB Giao thông vận tải, Hà Nội [8] Erik Oberg, Franklin D Jones, Holbrook L Horton, Henry H Ryffel (2004), Machinery’s Handbook, Industrial Press INC New York , Thread rolling [9] Y Nakasone, S Yoshimoto,T A Stolarski (2006), Engineering analysis with ANSYS software [10] Dr Shreyes Melkote, Dr Steven Danyluk, Dr Steve Dickerson (2007), Automation of a thread rolling machine for use in flexible workcell, School of Mechanical Engineering Georgia Institute of Technology, August [11] (2005), Finite Element Method, The University of Auckland, New Zealand Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 90 PHỤ LỤC Chương trình kết nối Pro/Engineer với máy tiện CNC Thiết kế chi tiết 3D Thiết lập Coordinate System Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 91 Khởi động môi trường làm việc CAM Gọi chi tiết cần gia công Tạo phôi cho chi tiết Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 92 Chọn máy tiện gia cơng Chọn NC Machine Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 93 Chọn gốc Zero máy Lựa chọn phương pháp gia cơng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 94 Đặt bước công nghệ "Tiện" Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 95 10 Chọn kiểu dao gia công 11 Thiết lập thông số công nghệ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 96 12 Thiết lập mặt phẳng an toàn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 97 13 Mô đường chạy dao Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ... chế tạo thành cơng loại vít này, tác giả chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu chế tạo bánh cán ren vít để lắp đường ray với Tà vẹt Bê tông? ?? - Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu tính tốn, thiết kế chế tạo bánh. .. việc chế tạo bánh cán gặp nhiều khó khăn cần nghiên cứu Với lý trên, tác giả chọn đề tài: Nghiên cứu chế tạo bánh cán ren vít để lắp đường ray với Tà vẹt Bê tơng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học... Nghiên cứu phương pháp chế tạo thử nghiệm bánh cán - Nghiên cứu phương pháp cán vít cán thử Nội dung nghiên cứu - Thiết kế hình dáng hình học tính bền cho bánh cán - Chế tạo thử nghiệm bánh cán