Phương hướng thiết kế

Chương 3 : Phương án thiết kế

3.1 Phương hướng thiết kế

Để đáp ứng được yêu cầu đã đề ra, bước đầu sẽ chọn chiều dày của ống uốn là 2mm. Đường kính nhỏ nhất của ống là phi 20mm và đường kính lớn nhất là phi 42mm. Dựa vào các lựa chọn trên, nhóm sẽ tính lần uốn với đường kính ống lớn nhất và đường kính uốn nhỏ nhất để xác định lực lớn nhất tác dụng trục và khuôn uốn để đảm bảo độ bền của vật liệu làm máy. Chọn đường kính uốn nhỏ nhất là phi 576mm và với đường kính phơi lớn nhất là phi 42mm. Từ đó sẽ tính ra vị trí, khoảng cách của các trục uốn. Từ bán kính uốn sẽ tính ra được khoảng cách mà khuôn uốn tạo ra đối với ống uốn để đạt được đường kính uốn mong muốn. Từ đó chọn vít me để dùng làm chuyển động khuôn uốn và tính ra được số lần uốn để đạt được yêu cầu. Để đáp ứng được với điều kiện sản xuất vừa và nhỏ, từ đó có thể làm cơ sở cho việc nghiên cứu máy uốn sử dụng động cơ thủy lực vì động cơ thủy lực ít tạo ra khuyết tật trong khi uốn, việc điều chỉnh máy tương đối dễ dàng sau đó là việc nghiên cứu đến máy bán tự động và tự động trong tương lai.

Các thông số của ống uốn và yêu cầu kỹ thuật của máy: Ống dày tối đa: 2mm.

Đường kính ống uốn: 20 mm – 42 mm. Đường kính uốn nhỏ nhất: 576 mm . Đường kính uốn lớn nhất: 5000 mm. Nguồn điện sử dụng: 220V - 1phase.

15

3.2 Phương án thiết kế: Máy uốn ống dọc (3 trục) cơ cấu truyền lực bằng cơ (điện)

3.2.1 Sơ đờ ngun lý:

Hình 3.1: Máy uốn ống ngang cơ cấu truyền lực bằng cơ (điện)

1: Phôi.

2: Khuôn uốn ép.

3: Khuôn uốn đỡ.

4: Khuôn uốn đỡ.

3.2.2 Nguyên lí hoạt động

Quá trình uốn của máy uốn ống 3 cuộn có thể được chia thành 3 giai đoạn: uốn tĩnh, uốn cuộn và dỡ ống.

Đầu tiên, ống được đưa vào giữa con lăn trên và 2 con lăn dưới. Ống sẽ được ép bởi con lăn trên và khiến nó trở nên biến dạng tại vị trí tiếp xúc. Con lăn trên sẽ từ từ ép xuống. Đồng thời con lăn dưới cũng quay làm cho các phần tử ở vị trí tiếp xúc trên ống

16

biến dạng đàn hồi liên tục. Sự kết hợp giữa các con lăn trên và dưới giúp ống được uốn cong và có hình dạng tròn.

3.2.3 Ưu điểm và nhược điểm

 Ưu điểm

Máy có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, độ cứng vững cao.

Chiều dày thành sản phẩm phân bố đều.

Tiết kiệm thời gian gia cơng.

Máy uốn ống 3 trục có thể tạo được những đường cong và đường tròn có đường kính lớn.

Có thể uốn những ống tròn mỏng, ống vng mỏng thép khơng gỉ và ống thép mềm.

Có trục trên điều khiển bằng tay giúp cố định ống vào khuôn uốn.

Máy uốn ống 3 trục hoạt động bằng điện, động cơ điện mạnh mẽ có thể được trang bị với điệp áp 220V.

 Nhược điểm

Máy chiếm nhiều diện tích.

17

Chương 4

THIẾT KẾ KỸ THUẬT MÁY

4.1 Sơ đồ động học

18

1: Motor 3: Hộp số 5: Bộ truyền xích 7: Trục con lăn ép 2: Bộ truyền đai 4: Bộ truyền xích 6: Trục con lăn đỡ 8: Trục con lăn đỡ

Động cơ truyền động tới hộp số trục vít thông qua bộ truyền đai, trục ra của hộp giảm tốc lắp nhông đôi, thông qua bộ truyền xích giúp cho trục 2 và trục 3 quay cùng chiều với nhau. Để uốn được thì trục 4 sẽ di chuyển lên xuống nhờ vít me đai ốc. Trục 4 sẽ nằm trên ống uốn với tác dụng tạo lực ép xuống uốn trục, trục 2 và trục 3 sẽ nằm dưới với tác dụng là trục đỡ như gối tựa.

Mỗi lần uốn thì trục sẽ quay và uốn cho tới khi đạt được đường kính uốn mong muốn, đối với đường kính uốn nhỏ thì sẽ phải uốn nhiều lần nên sau mỗi lần uốn, trục 2 và trục 3 sẽ dừng lại, trục 4 sẽ di chuyển xuống 1 khoảng cách uốn, sau đó trục 2 và trục 3 sẽ quay chiều ngược lại với chiều uốn lần trước để tiếp tục uốn, lặp đi lặp lại cho tới khi đủ số lần uốn thì sẽ được đường kính uốn mong muốn

4.2 Các khái niệm cơ bản 4.2.1 Khái niệm uốn

Uốn ống hay dập tạo hình đều được tạo ra từ biến dạng dẻo của kim loại để tạo ra hình dạng kích thước mong muốn ban đầu, để tạo nên hình dạng này ta cần có khn tạo hình.

Biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và phá hủy là 3 quá trình nối tiếp nhau xảy ra trong kim loại và phần lớn hợp kim dưới tác dụng của tải trọng gây ra. Dưới tác dụng của tải trọng xảy ra 3 quá trình: Biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo kèm biến dạng đàn hồi và phá hủy:

Lúc đầu khi tăng tải trọng độ biến dạng Δl tăng theo tỉ lệ bậc nhất với nó, gọi là biến dạng đàn hồi lúc này kim loại có thể trở về vị trí ban đầu.

19

Khi tải trọng vượt quá giá trị nhất định độ biến dạng Δl tăng rất nhanh khi thôi tác dụng tải trọng thì kim loại vẫn bị biến dạng nhưng khơng lớn lắm được gọi là biến dạng dẻo kèm theo biến dạng đàn hồi.

Khi tải trọng đạt đến giá trị max thì lúc này xuất hiện các vết nứt tế vi và làm ứng suất tập trung càng cao hơn dẫn đến các vết nứt càng tăng và to dần, kim loại bị tách rời và bị phá hủy hiện tượng đó gọi là biến dạng phá hủy.

Khi uốn ống ta chú ý vào các biểu đồ sau vì đối với mỗi vật liệu thì chịu tác dụng một lực phù hợp để khơng làm phá hủy vật liệu đó:

Khi uốn các vật liệu dẻo ta chú ý đến biểu đồ σ - ε:

Với σ = 0 P F , ε = 0 Δl l Hình 4.2: Biểu đồ σ – ε

20

Hình 4.3: Biểu đồ P – Δl

Từ hai biểu đồ trên ta thấy trong quá trình uốn ống dưới tác dụng của lực uốn làm cho vật liệu ở trạng thái biến dạng dẻo, ở vật liệu dẻo thì vật liệu dễ uốn hơn vì miền σ𝑐ℎ lớn nhưng đối với vật liệu cứng giịn thì rất khó thực hiện ngun cơng uốn vì miền đàn hồi đến miền bền là rất nhỏ nếu tốc độ uốn cao thì lúc này vật liệu sẽ chuyển từ miền biến dạng đàn hồi sang miền phá hủy vì vậy vật liệu sẽ bị phá hủy nên tùy theo vật liệu uốn mà ta chọn tốc độ uốn phù hợp không làm hư hỏng chi tiết uốn.

4.2.2 Lớp trung hòa biến dạng

Trong quá trình uốn, các lớp kim loại phía trong góc uốn (phía chày) bị nén ở hướng dọc và bị kéo ở hướng ngang. Giữa các lớp co ngắn và giãn dài là lớp trung hòa. Độ dài của lớp trung hịa bằng độ dài ban đầu của phơi.

21

Hình 4.4: Sự phân bố lại tiết diện

Hình 4.5: Sự phân bố lại tiết diện

Như vậy, có thể thấy lớp trung hồ khơng phải là một lớp mang tính chất vật lý nào đó có thể thấy được mà nó là một mặt cong quy ước chạy qua các lớp phôi khác nhau.

22

Khi uốn những phơi có dải hẹp, thường xảy ra sai lệch rất lớn của tiết diện ngang, kèm theo sự giảm chiều dày của vật liệu ở chỗ uốn, sự dịch chuyển của lớp trung hồ về phía thớ bị nén và sự thay đổi hình dạng chữ nhật của tiết diện ngang thành dạng hình thang.

Khi uốn những dải rộng hoặc tấm cũng xảy ra sự biến mỏng của vật liệu nhưng hầu như khơng có sự sai lệch của tiết diện ngang, bởi vì vật liệu có chiều rộng lớn sẽ cản trở sự biến dạng theo phương ngang.

Tại vùng uốn có những lớp kim loại bị nén và co ngắn đồng thời có những lớp kim loại bị kéo và giãn dài theo hướng dọc vì vậy giữa các lớp đó thể nào cũng tồn tại một lớp có chiều dài bằng chiều dài ban đầu của phơi, lớp này người ta gọi là lớp trung hòa biến dạng. Lớp trung hòa biến dạng là cơ sở tốt nhất để xác định kích thước phôi uốn và xác định bán kính uốn nhỏ nhất cho phép.

Khi uốn với bán kính uốn lớn, mức độ biến dạng ít vị trí lớp trung hịa biến dạng nằm ở giữa chiều dày của dải phôi nghĩa là bán kính cong ρ𝑏𝑑 của lớp trung hòa biến dạng được xác định theo công thức sau:

ρbd = r + 2

s

(4.1)

Trong đó:

r: bán kính uốn, mm. s: bề dày vật liệu, mm.

Nếu uốn với mức độ biến dạng lớn (góc uốn và bán kính uốn nhỏ), tiết diện ngang của phôi bị thay đổi nhiều, chiều dày vật liệu giảm khi đó lớp trung hịa biến dạng khơng đi qua tiết diện phơi mà dịch chuyển về phía tâm cong ở đây vị trí lớp trung hịa biến dạng được xác định theo công thức sau:

23 ξ  ξ *s*btb ρ * 2 bd r s b        (4.2) Trong đó

r: bán kính uốn, mm.

1

ξ s

s

 : Hệ số giảm chiều dày.

Với s1: là chiều dày vật liệu trước khi uốn, mm. s: chiều dày vật liệu sau khi uốn, mm.

b: chiều rộng ban đầu của phôi, mm.

btb: chiều rộng trung bình sau khi uốn, mm.

 1 2 1 2 tb b b b   (4.3)

Với b1, b2 là chiều rộng ở phía trên và phía dưới phôi sau khi uốn, mm.

Khi chiều rộng của phôi lớn thì tỉ số btb

b = 1, lúc đó: ξ  ρ ξ *s 2 * bd r s       (4.4)

Khi uốn những phơi có tiết diện tròn, hình thoi,… thì đặc tính biến dạng của tiết diện ngang cũng sẽ khác đi và do đó các hệ số ξ và X0 cũng sẽ thay đổi:

Khi uốn phơi có tiết diện tròn đường kính d với bán kính uốn dr 5,1> thì tiết diện ngang của phơi hầu như khơng đổi lớp trung hịa biến dạng đi qua giữa tiết diện phôi :

d ρ

2

24 Trong đó:

r: là bán kính uốn, mm. d: đường kính uốn, mm.

Khi uốn phơi với bán kính uốn nhỏ dr 5,1≤ thì tiết diện ngang của phơi bị méo, có thể là hình ơvan hay hình quả trứng vì vậy vị trí lớp trung hòa được xác định theo công thức: ρ ξ1d ξ1 2 bd r      (4.6) Trong đó: r: bán kính uốn.

1 1

2

ξ d

d

 : hệ số biến dạng theo đường kính. (4.7) Với d1: là đường kính của phôi trước khi uốn, mm.

d2: là đường kính của phôi sau khi uốn, mm.

Trong thực tế sản xuất để đơn giản cho q trình tính tốn thì bán kính cong của lớp trung hịa biến dạng được xác định như sau:

ρbd = r + X0*s (4.8) Trong đó: X0*s = 2 * 2 s  – r(1- ) (4.9)

X0: Là hệ số xê dịch được xác định bằng thực nghiệm và cho sẵn trong sổ tay, hệ số này phụ thuộc chủ yếu vào tỷ số r/s, góc uốn α và loại vật liệu, tình trạng vật liệu,…

25

4.2.3 Khắc phục hiện tượng đàn hồi sao khi uốn

Do uốn là quá trình làm biến dạng dẻo kim loại, nên lực đàn hồi do tính đàn hồi của vật liệu được sinh ra. Lực đàn hồi (hay còn gọi là biến dạng đàn hồi) là những biến dạng có khả năng khơi phục lại hình dạng ban đầu khi chưa có hoặc khơng cịn lực tác dụng vào.

Lực đàn hồi có điểm đặt vào vật bị biến dạng, cùng phương, ngược chiều có độ lớn bằng độ lớn của lực tác dụng tại thời điểm xuất hiện. Khi lực tác dụng vào vật quá lớn, vật mất khả năng khơi phục lại hình dạng ban đầu, ta nói lực tác dụng vượt qua giới hạn đàn hồi của vật liệu. Tùy vào cơ tính của mỗi vật liệu, ở một giá trị nào đó thì lực đàn hồi không xuất hiện nữa và ta gọi giá trị này là giới hạn đàn hồi, nếu vượt quá giới hạn đàn hồi, lúc đó vật bị biến dạng sẽ khơng thể trở về được hình dạng ban đầu, sau khi không chịu tác động làm biến dạng.

Hiện tượng đàn hồi sau quá trình uốn ống gây sai lệch về góc uốn và bán kính uốn. Để khắc phục hiện trạng này, ta phải thay đổi giá trị góc uốn và bán kính uốn để bù trừ một lượng đàn hồi đúng bằng giá trị đàn hồi.

Hình 4.6: Sự thay đổi của góc do đàn hồi

Bằng thực nghiệm, người ta xác định được rằng trị số đàn hồi phụ thuộc chủ yếu vào loại vật liệu và chiều dày vật liệu, hình dáng chi tiết uốn, bán kính uốn tương đối r/s, lực uốn và phương pháp uốn.

26

Sự phục hồi đàn hồi được biểu hiện bằng sự thay đổi của góc uốn, để có được góc uốn của chi tiết là0, người ta phải uốn với góc làα, và góc đàn hồi được biểu thị bằng:

0 2

 

   (4.10)

Quá trình uốn trên máy uốn thép 3 trục là quá trình uốn tự do khơng có tinh chỉnh, trị số hồi phục đàn hồi phụ thuộc vào tính chất đàn hồi của vật liệu, mức độ biến dạng khi uốn (tỉ số r/S), góc uốn và phương pháp uốn (hình chữ V hay chữ U).

Góc đàn hồi βcó thể được xác định bằng 2 phương pháp: bằng tính toán giải tích hoặc bằng thực nghiệm tức là thử và đo.

Góc đàn hồi khi uốn thành hình chữ V được tính như sau:

1 0.75 . T Tg ks E    (4.11)

Góc đàn hồi khi uốn ống thành hình chữ U được tính như sau:

1 0.375 . T Tg ks E    (4.12) Trong đó:

: Góc hồi phục đàn hồi 1 phía.

K: Hệ số xác định vị trí lớp trung hòa, phụ thuộc vào r/S . l: Khoảng cách giữa các điểm tựa, tức là các mép cối, mm.

T

 : Giới hạn chảy, N/mm2.

27

4.3 Tính tốn cơng śt truyền động

Các thông số ban đầu của phơi: Phơi ống trụ rỗng .

+ Đường kính ngồi của ống: D = 42 mm. + Chiều dày của thành ống: S = 2 mm.

+ Khối lượng lý thuyết của 1m ống: kg.

+ Vật liệu phôi: Thép CT38 (tương đương mác thép CT3 của Nga) .

+ Giới hạn bền kéo σb = 380 MPa.

+ Giới hạn chảy σch = 210 Mpa.

Hình 4.7: Kết cấu phơi uốn

4.3.1 Tính tốn lực uốn tạo hình

Lực uốn trong khn dập bao gồm lực uốn tự do và lực uốn là phẳng vật liệu. Trong trường hợp này, ta uốn ống thông qua các puly uốn, mà không dùng cối uốn nên ta bỏ qua lực là phẳng vật liệu.

28

Do đó, lực uốn ống lúc này bằng lực uốn tự do Mômen chống uốn là đại lượng đặc trưng cho khả năng chống uốn của vật liệu khi có lực tác động. Mỗi phơi uốn có hình dạng mặt cắt ngang khác nhau thì có mơmen quán tính khác nhau, nhưng mômen chống uốn lại là điều kiện bền tiên quyết của phơi uốn.

Để có thể uốn được phôi uốn, mômen uốn phải lớn hơn mômen chống uốn của vật liệu.

Công thức tính lực uốn tự do như sau: 2 Sin .Cos 2 2 u P  Q         (4.13) Trong đó:

+ Pu: Lực uốn tự do ban đầu, mm. +: Góc uốn .

+Q: Lực tác dụng tại gối tựa.

2 0 . . 4 S b h Q l   (4.14) Trong đó: + S: Ứng suất bền. + b: Bề rộng tại vùng uốn.

+ h: Chiều dày phôi uốn

+ 0

2

l

l  : Khoảng cách giữa phương tác dụng lực Q với phương của lực Pu (pháp

29 Thay (4.14) vào (4.13) ta có 2 0 . . Sin .Cos 2 2 2 b u b h P l             (4.15)

Khi uốn ống thép tròn có đường kính D = 42, S = 2.

Hình 4.8: Quy đổi tiết diện tròn về tiết diện vuông

Momen quán tính của mặt cắt ngang tiết diện hình vành khăn được xác định theo