3.2.1 Khai triển hình dáng cánh ra mặt phẳng
Cơng việc khai triển hình dáng bản cánh ra mặt phẳng là điều cần thiết, là cơ sở xác định biên dạng, hình dáng cho cơng việc thiết kế khuơn đƣợc thuận lợi.
Do kết cấu của turbine gồm bản cánh đƣợc hàn vào bản cánh. Vậy nên cơng việc thiết kế bản cánh là điều cần thiết. Vì bản cánh đƣợc chế tạo theo cơng nghệ dập tấm, vậy nên trƣớc tiên cần phải xác định hình dáng và kích thƣớc của tấm liệu. Từ cơ sở đĩ mới cĩ thể đi thiết kế khuơng cắt vật liệu.
Cơng việc xác định hình dáng và tấm phẳng – sản phẩm của nguyên cơng biến dạng vật liệu đƣợc triển khai trên phần mềm Plate 'n' Sheet Version 4. Cơng việc này hay cịn gọi là khai triển hình gị cơ khí.
Theo thơng số kỹ thuật cánh turbine trang 35:
Gĩc nghiêng cánh là 40°, theo đĩ bƣớc cánh đƣợc tính gần đúng: S = П.Dbau.tanα =
Hình 3.8 Đường xoắn ốc của turbine và hình vẽ khai triển
Các bƣớc thực hiện với phần mềm Plate 'n' Sheet:
Khởi động phần mềm từ Menu Start.
Xuất hiện giao diện nhƣ trên hình:
Hình 3.9 Giao diện khi khỏi động phần mềm Plate 'n' Sheet
Tiếp đến chọn thẻ Helicals/Auger → chọn trƣờng Helicals (Parallel) →
Helix – (Deformed);
Dbau П.D
Hình 3.10 Tùy chọn chức năng khai triển mặt xoắn ốc hình trụ trịn đứng
Bấm click chọn nút Continue để vào giao diện nhập dữ liệu;
Hình 3.11 Giao diện nhập dữ liệu
Sau khi nhập các thơng số, phần mềm đƣa ra bản vẽ khai triển mặt xoắn
Hình 3.12 Mặt xoắn ốc trụ trịn được khai triển
Ấn chọn chức năng tự động ghi kích thƣớc Auto Dimension Options, xuất hiện cửa sổ nhƣ trên hình. Lúc này, đánh dấu Tick vào ơ vuơng True Length along a Prees line; Diagonal Distances Bettwen Pressline; Length around Top và Length around Top Base:
Hình 3.13 Chức năng tự động ghi kích thước
Hình 3.14 Phần mềm tự động ghi kích thước
Sau khi xuất ra file định dạng DXF, Cĩ thể xây dựng hình dáng bản cánh ở dạng dàn mặt (tấm liệu) bằng phƣơng pháp đồng dạng. Khi đĩ, hình dáng và diện tích tấm liệu nhƣ sau:
Bằng chức năng của phần mềm AutoCAD, phần mềm tính đƣợc diện tích tấm liệu S = 2841.632 mm2, chu vi = 249.600 mm. Hình dáng chi tiết đƣợc thể hiện trong bản vẽ đính kèm bản thuyết minh.
3.2.2 Tính tốn lực trên khuơn Nguyên cơng 1: cắt biên dạng.
Hình 3.15 Biên dạng cắt
Lực cắt đƣợc tính (theo [CT 2 – 5, trang 42]): Pc = k.L.S.σc (kG) Trong đĩ:
k – hệ số = 1,1 ÷ 1,3; L – chu vi đƣờng cắt; S – chiều dày vật liệu;
σc – trở lực cắt vật liệu; σc = 53 kG/mm2.
Vậy lực cắt Pc = k.L.S.σc = 1,3.249.1,2.53 = 20587 (kg) = 20,857 (tấn).
Nguyên cơng 2: Nguyên cơng tạo hình cho tấm liệu vừa đƣợc cắt.
Việc xác định lực uốn cần thiết để uốn chi tiết một gĩc uốn bằng khuơn là vấn đề rất khĩ khan, do đĩ chỉ cĩ thể xác định một cách gần đúng. Sở dĩ nhƣ vậy là do lực uốn phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ:
Hình dạng và kích thƣớc tiết diện ngang của phơi;
Tính chất cơ học của vật liệu, khoảng cách giữa các gối tựa;
Bán kính cong của chày uốn và mép làm việc của cối uốn;
Hình 3.16. Kích thước sau khi dập
Cơng thức tính lực uốn đƣợc chọn Pu = 0,4.B.S.σb Trong đĩ:
B: chiều rộng vật uốn, đƣợc chọn gần đúng B = 42;
S: chiều dày tấm liệu, S = 1,2 mm;
σb: ứng suất uốn, σb = 20,9 (kg/mm2).
→ Lực uốn Pu = 0,4.42.1,2.20,9= 421,34 (kg).
Hình 3.17 Hình dáng sản phẩm bản cánh sau tạo hình
- Hướng xoắn cánh theo chiều kim đồng hồ; - Bản cánh đặt thẳng góc với trục.
- Góc xoắn 40°.
3.2.3 Thiết kế chày – cối cho cơng đoạn cắt
Những yêu cầu cơ bản của bộ khuơn:
Các chi tiết của khuơn phải cĩ độ bền cao, dễ dàng thay thế khi mịn, hỏng hĩc;
Quá trình vận hành an tồn, thuận tiện kể cả việc gá đặt và tháo lắp;
Năng suất dập cao;
Kết cấu đơn giản, dễ dàng chế tạo và lắp ráp;
Hiệu quả kinh tế cao;
Phế liệu khi dập ít.
Sử dụng triệt để những chi tiết của khuơn đã đƣợc tiêu chuẩn hĩa, khơng nên sử dụng những chi tiết chuyên dùng.
3.2.3.1 Tính khe hở giữa chày và cối
Khe hở giữa chày và cối cĩ vai trị rất quan trọng, trị số khe hở chày – cối cĩ ảnh hƣởng đến chất lƣợng mặt cắt và độ chính xác của sản phẩm sau khi đột – cắt và độ bền của chày – cối.
Hình 3.18 Khe hở Z giữa chày và cối
Khe hở hợp lý (chọn đúng trị số) thì các vết nứt từ mép chày và cối sẽ gặp nhau theo đƣờng thẳng. Quan sát hình bên dƣới thấy mặt cắt ở phần dƣới cùng cĩ một dải sáng, phần trên xù xì hơn.
Hình 3.19 Sản phẩm khi khe hở hợp lý
Nếu khe hở quá nhỏ sẽ làm các vết nứt khơng trùng nhau. Quan sát mặt cắt thấy cĩ hai dải sáng ở trên và dƣới, phần ở giữa xù xì hơn theo hình răng cƣa.
Hình 3.20 Tác hại do khe hở quá nhỏ
Nếu khe hở quá lớn cũng làm cho các mép chày và cối khơng trùng nhau. Một phần vật liệu bị vuốt dài lên phía trên tạo thành ba – via.
Hình 3.21 Tác hại do khe hở quá lớn
Trị số khe hở phụ thuộc chủ yếu vào tính chất và bề dày vật liệu. Dung sai khe hở chày – cối trong khuơn dập nĩ chính là hiệu số kích thƣớc làm việc giữa cối và chày.
Khi cắt hình thì kích thƣớc cối trên tấm cối quyết định kích thƣớc sản phẩm vì vậy phải chọn kích thƣớc cối trên tấm cối làm chuẩn sau đĩ tính tốn thu hẹp kích thƣớc chày.
Do vậy, trị số khe hở tối ƣu đƣợc tính theo ([4], trang 54): Z = (0,05 ÷ 0,12).S = 0,05.1.2 = 0,06 mm.
3.2.3.2 Hình dạng và kết cấu của cối
Kết cấu lỗ làm việc của cối để cắt hình tùy thuộc vào chiều dày của vật liệu chi tiết dập (hoặc phơi), tùy thuộc vào hình dạng và kích thƣớc, yêu cầu độ chính xác, dạng sản xuất và nhiều yếu tố khác. Qua thực tế và lý thuyết, hình dáng của cối đƣợc chọn nhƣ hình sau:
Với kết cấu này thích hợp để cắt đột các chi tiết nhỏ và trung bình, hình dáng đơn giản và độ chính xác khơng cao. Cối cĩ lỗ hình cơn trên tồn bộ chiều cao của cối với gĩc cơn α = 30’ ÷ 1°30’.
Hình 3.22 Hình dáng và kết cấu của cối
Gĩc cơn đƣợc chọn α = 1°30’ theo ([4], trang 66).
Chiều dày tấm cối đƣợc chọn tùy vào chiều dày tấm liệu (h = 3 ÷ 15 mm ứng với chiều dày phơi (0,5 ÷ 10 mm) hay theo CT: h = (8 ÷ 18).S → chiều dày h = 10.S = 10.1.2 = 12 mm.
Cùng với kích thƣớc cối (chiều cao và chiều dày thành) đƣợc xác định theo cơng thức kinh nghiệm hoặc tra bảng đƣợc thành lập trên cơ sở tổng hợp những số liệu kinh nghiệm của xí nghiệp tiên tiến. Chẳng hạn nhƣ chiều rộng của cối cắt hình này đƣợc chọn theo thực nghiệm và là khuơn vuơng.
Chiều rộng cối đƣợc tính theo ([4], trang 297, CT 8 – 13): B = b + (3 ÷ 4)h Trong đĩ:
b: chiều rộng lớn nhất của lỗ cối – b = 95 (xác định trên phần mềm AutoCAD qua bản vẽ choi tiết;
h: chiều cao cối; h = 12.
Từ những số liệu tính tốn cĩ: B = 95 +3.12= 131 → chọn B = 132.
Hình 3.23 Kích thước cơ bản của cối
3.2.3.3 Hình dáng và kết cấu của chày
Chày là chi tiết thuộc nhĩm cơng nghệ trực tiếp tác dụng vào phơi để tạo ra sản phẩm.
Hình 3.24 Kết cấu phần làm việc của chày
Kết cấu phần làm việc của chày cũng cĩ nhiều dạng khác nhau, tùy thuộc vào hình dáng và kích thƣớc chi tiết (hoặc phơi), tùy thuộc vào chiều dày vật liệu dập, độ chính xác. Từ phạm vi đồ án cũng nhƣ quy mơ sản xuất mà đƣa ra kết cấu phần làm việc của chày nhƣ Hình 3.24. Đây là loại chày cĩ kết cấu đơn giản nhất và đƣợc sử dụng phổ biến nhất.
Kích thƣớc chày đƣợc thiết kế dựa theo tấm cối và khe hở Z tính trên.
Độ dày phần làm việc của chày đƣợc chọn bằng với chiều dày cối hchày = h =
12 mm.
3.2.3.4 Thiết kế tấm đế dƣới
Tấm đế dƣới (hoặc tấm đế trên) cĩ nhiệm vụ liên kết tồn bộ nửa khuơn dƣới (hoặc nửa khuơn trên) với đế khuơn máy dập.
Chi tiết đƣợc tiêu chuẩn hĩa nên về mặt kích thƣớc khơng cần tính tốn.
Tấm đế cĩ thể đƣợc chế tạo bằng thép SS400 (theo tiêu chuẩn Nhật bản). Trong đề tài này chọn vật liệu chế tạo tấm đế trên là SS400 khơng xử lí nhiệt.
3.2.4 Thiết bộ chày – cối cho cơng đoạn tạo hình
Bộ chày – cối của cơng đoạn này cĩ biên dạng, hình dáng khác phức tạp vì cĩ nhiều đƣờng cong phức tạp mà phƣơng pháp gia cơng truyền thống khĩ thực hiện (nếu thực hiện đƣợc thì khá tốn kém). Do vậy, bộ khuơn này đƣợc thiết kế trên phần
mềm CAD/CAM Pro/Engineer. Trong phạm vi đồ án nên khơng trình bày quy trình chi tiết thiết kế cũng nhƣ gia cơng phần chày – cối mà chỉ trình bày kết quả trên bản vẽ.
3.2.5 Vật liệu làm bộ khuơn
Để lựa chọn đƣợc vật liệu phù hợp, xét 2 yếu tố sau: Yêu cầu về cơ tính của chày, cối và sự ảnh hƣởng của các nguyên tố hợp kim.
Yêu cầu về cơ tính của chày và cối bao gồm:
Chày và cối cắt nên đƣợc chọn theo các điều kiện nhƣ số lƣợng sản xuất,
vật liệu dập và sự bơi trơn.
Độ cứng cao: Phải đạt đến giới hạn dƣới của nĩ là khoảng HRC 58 ÷ 62
(tuỳ vào loại khuơn, chiều dày, độ cứng của thép đem biến dạng). Nếu dập các lá thép cứng nhƣ thép kĩ thuật điện (tơn silic) hay cĩ chiều dài lớn phải yêu cầu độ cứng HRC tới trên 60, thậm chí là 62; cịn đối với thép lá mỏng, khi dập uốn, với độ cứng thấp, chỉ cần dộ cứng HRC 56. Khơng để nhiệt luyện HRC quá 62, vì lúc đĩ khuơn làm việc dễ bị nứt mẻ.
Tính chống mài mịn cao: Đảm bảo đƣợc hàng ngàn, vạn lần dập. Nếu khuơn cĩ tính chống mài mịn kém sẽ tạo ra khe hở giữa chày và cối, khơng đảm bảo cho chi tiết làm việc tốt.
Độ bền và độ dai bảo đảm: Để chịu đƣợc tải trọng lớn và chịu va đập.
Đối với khuơn dập lớn cần phải cĩ thêm yêu cầu về độ thấm tơi và ít thay đổi thể tích khi tơi.
Sự ảnh hƣởng của các nguyên tố hợp kim
Bảng 3.1 Sự ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim
Nguyên tố
hĩa học Ảnh hƣởng
C C kết hợp với Cr, W, Mo, và V đạt đƣợc độ bền mịn tốt. Độ cứng
tăng và độ dẻo giảm khi hàm lƣợng C tăng.
Cr Độ bền mịn và khả năng hĩa bền (khả năng tơi) đƣợc cải thiện.
Mo, W
Độ cứng nhân đơi khi carbide đƣợc tạo khi kết hợp Mo và W với C , Fe và Cr. Độ bền mịn, khả năng hĩa cứng và độ bền ở nhiệt độ cao đƣợc cải thiện.
V Độ bền mịn và độ bền dẻo đƣợc cải thiện.
Co Độ bền ở nhiệt độ cao và độ cứng đạt đƣợc sau khi tơi đƣợc cải thiện.
Tham khảo một số loại thép tiêu chuẩn thơng dụng:
Bảng 3.2 Tính chất của một số mác thép dụng cụ (theo tiêu chuẩn Nhật)
Thép hợp kim
SKD11
SKD11 (12%Cr) cĩ độ chống mịn và khả năng tơi cứng tốt nên nĩ làm giảm thiểu biến dạng. Nĩ thƣờng đƣợc dùng nhất.
SKD11 (cải tiến)
Độ cứng (60 ÷ 63) HRC đạt đƣợc khi tơi ở nhiệt độ cao. Thép này cĩ độ bền dẻo tăng.
Thép dụng cụ tốc độ cao
SKH51 High – speed steels, SKH51 thƣờng đƣợc dùng nhất. Nĩ
cĩ độ chống mịn và độ bền dẻo tốt. Powder high – speed tool steel SKH40
Cấu trúc phân phân tử ở dạng các hạt đƣợc thiêu kết lại. Nĩ chứa một lƣợng lơn các nguyên tố hợp kim (W, V, Co...), và cĩ độ bền dẻo, độ bền mịn và độ bền mỏi tốt.
Thép
cacbua V30
So với thép, độ cứng, độ bền mịn, độ bền nén, độ bền nhiệt đều tốt hơn, nhƣng độ bền dẻo thấp hơn. Nếu nĩ đƣợc chọn một cách sai thì cơ tính của nĩ khơng đƣợc sử dụng đầy đủ.
Qua những yêu cầu cũng, điều kiện cũng nhƣ những thơng tin tham khảo trên đi đến kết luận: chọn thép SKD11. Mác thép tƣơng đƣơng: SLD, DC11, 2379, D2. Vì thép đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, cũng nhƣ tính phổ biến.
Bảng 3.3 Thành phần % hĩa học thép SKD11 – Nguồn: tapsteel.com
Mác thép C Si Mn P S Cr Mo V
Bảng 3.4 Nhiệt luyện và độ cứng của thép – Nguồn: tapsteel.com