Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo về giáo trình công nghệ tạo phôi nâng cao
Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao 37 Chơng Một số thiết bị thông dụng rèn dập 4.1 Máy búa không khí nén 4.1.1 Khái niệm Máy búa không khí nén làm việc nhờ không khí đa vào từ xi lanh nén thân máy Theo đặc trng tác dụng không khí lên piston công tác, ngời ta chia thành máy búa tác động đơn máy búa tác động kép Theo số xi lanh chia loại xi lanh loại hai xi lanh Theo số phơng pháp dẫn hớng đầu búa, chia máy dẫn hớng máy có dẫn hớng Theo cách bố trí buồng đệm chia máy có buồng đệm dới Theo cấu tạo cấu phân phối chia máy có khoá ngang van trụ Theo loại thân máy: máy trụ trụ Máy búa đợc chế tạo phổ biến loại xi lanh tác động kép có khoá ngang khoá không tải có khối lợng phần rơi 75 ữ 1000 kg 4.1.2 Nguyên lý tác dụng máy búa không khí nén Nhờ nhận đợc chuyển động từ động qua hộp giảm tốc cấu biên - trục khuỷu, piston nén chuyển động qua lại nén không khí xi lanh để đa vào xi lanh công tác Chuyển động piston nén chuyển động bậc tự đợc xác định góc quay trục khuỷu (Hình 4.1) Trong máy búa không khí nén, chất công tác không khí giữ chức nh đệm đàn hồi đảm bảo chuyển động piston công tác phụ thuộc vào chuyển Hình 4.1 Máy búa không khí nén xilanh động piston nén có khoá ngang Trong Vị trí điều khiển tay a Dạng chung; b trình gia công, chiều cao vật rèn thay đổi nhng số hành trình kép máy búa không thay đổi số vòng quay trục quay Quy ớc ban đầu = 00 ứng với thời điểm piston nén vị trí cao nhất, piston công tác vị trí thấp đầu búa tiếp xúc với vật rèn Trong vị trí khoá dới mở, buồng dới xi lanh nén thông với buồng dới Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng 38 Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao xi lanh công tác thông với môi trờng nên có áp suất P0 = 0,1 MN/m2 (Hình 4.2a) Tại thời điểm = α = α1: Khi piston nÐn tõ vÞ trÝ ban đầu chuyển động xuống dới, áp suất buồng dới xi lanh tăng lên, áp suất buồng giảm Đến lúc áp suất buồng dới tăng đủ để thắng trọng lợng phận rơi, lực ma sát áp lực không khí buồng xi lanh công tác, piston công tác bắt đầu đợc nâng lên Góc tơng ứng với thời điểm gọi góc đầu búa rời khỏi vật rèn Tại thời điểm = = 1800 (Hình 4.2b): thay đổi áp suất không khí buồng dới phụ thuộc vào thay đổi tổng thể tích buồng dới xi lanh tơng ứng với trình đoạn nhiệt P.V = const Khi = α2 = 1800 piston nÐn ë vÞ trÝ d−íi cïng, buồng xi lanh nén thông với trời bng d−íi kÝn Khi α = α2: chun ®éng tiÕp theo cđa piston theo cïng mét h−íng Khi α = piston công tác đóng rÃnh thông buồng xi lanh Do tăng dần trở lực không khí buồng đệm giảm áp suất buồng dới, chuyển động piston công tác chậm dần dừng nhanh vị trí = b Dới tác dụng không khí buồng đệm, piston công tác đợc chuyển động lËp tøc xng d−íi mét chót ¸p st cđa không khí buồng đệm thay đổi theo đờng đoạn nhiệt khác với áp suất không khí bng trªn cđa xilanh nÐn f4 f3 f2 Theo A f1 A a Theo A Theo A α=0 A A b c Hình Vị trí xilanh công tác xilanh nén = (Hình 4.2c): hạ piston công tác, áp suất buồng đệm giảm áp suất buồng xilanh nén tăng piston nén chuyển động lên Đến lúc buồng xilanh công tác đợc thông với buồng xi lanh nén qua van chiều Thời điểm piston công tác khỏi buồng đệm tơng ứng với góc = - α = α4 → α = α5 Trơc khủu tiếp tục quay, piston nén lên gần tới điểm piston công tác xuống tới vị trí dới đập vào vật thời điểm = < 3600 α5 → α1: Khi trơc khủu quay tõ đến 1, piston công tác đứng vị trí dới va đập nh gọi va đập dính Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng 39 Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao h Chu trình lặp lại theo nguyên lý làm việc nói đợc biểu diễn giản đồ chu trình vòng tròn (H.4.3) gồm phần ký hiệu: ã - 2: nâng piston công tác từ lúc đầu búa rời khỏi vật rèn đến lúc buồng xilanh nén thông với môi trờng ã - 3: nâng piston công tác từ lúc trớc đến lúc đóng buồng đệm ã - 4: nâng chuyển động xuống dới piston công tác tõ lóc ®ãng bng ®Ưm ®Õn lóc më bng ®Ưm ã - 5: piston công tác chuyển động xuống d−íi tõ lóc më bng ®Ưm ®Õn lóc va ®Ëp Góc quay trục khuỷu để nâng piston công tác (α1 - αb) rÊt lín so víi gãc quay (αb - 5) piston công tác chuyển động xuống dới Trong máy búa 400, b 2700 α5 = 340 ÷ 3600 α1 f2 H f4 α5 f3 b f1 S Hình 4.3- Giản đồ chu trình máy búa (a) nguyên lý máy búa (b) X Chú thích: Đờng nét đậm biểu diễn piston nén piston công tác chuyển động cïng h−íng 4.1.3 TÝnh to¸n m¸y bóa Ta thÊy r»ng: trục khuỷu quay vòng,chuyển động piston công tác đợc chia giai đoạn riêng biệt Để dể tính toán ta ký hiệu: G - trọng lợng phần rơi; M - khối lợng phần rơi - vËn tèc gãc cđa trơc khủu; n0 - sè vßng quay trục khuỷu; n - hệ số đoạn nhiệt; r - bán kính trục khuỷu; l - chiều dài biên; h - chiều cao ban đầu vật rèn; h - chiều cao buồng đệm; H - hành trình của đầu búa tính từ mặt piston công tác đến buồng đệm; k - hệ số biên k = r/l; H - hành trình lắp ráp piston công tác tính từ mặt piston đến nắp xilanh piston công tác vị trí dới vật rèn; Hm - hành trình cực đại đầu búa tính từ mặt piston đến nắp xilanh piston công tác vị trí dới có vật rèn; S X - đờng piston nén công tác; Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng 40 Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao f1, f2, f3, f4 - diện tích mặt dới, mặt piston công tác piston nén; V01, V02 - thể tích ban đầu buồng dới, buồng xilanh kể thể tích rÃnh phân phân phối khí; P1, P2 - áp suất tuyệt đối không khí buồng dới, buồng thời điểm xét; P - áp suất tuyệt đối không khí buồng xilanh công tác thời điểm đóng buồng đệm; P0 - áp suất môi trờng; 0, 1, - hệ số tính đến lực ma sát đầu búa đứng yên, chuyển động lên chuyển động xuống d−íi; V1, V2 - thĨ tÝch cđa c¸c bng d−íi, buồng thời điểm xét; a/ Xác định góc rời khỏi vật rèn Trong phần 00 < < 1: đầu búa dừng vị trí dới Trong phần tổng thể tích buồng dới buồng V1 V2 thay ®ỉi sù thay ®ỉi thĨ tÝch bng d−íi vµ bng trªn cđa xilanh nÐn: V1 = V01 - Sf3 ; V2 = V02 - Sf4 Từ phơng trình đoạn nhiệt ta có phơng trình cân lực tác dụng lên piston công tác ta có: P1.f1 + P0(f2 - f1) - P2f2 - 0.G = Biến đổi phơng trình ta có: q S= (4.1) n.f3 C.n.f4 ⎞ P0 ⎜ ⎜V + V ⎟ ⎟ ⎝ 01 02 Mặt khác độ chuyển dịch piston nén nhờ truyền động từ cấu biên-trục khuỷu tích theo công thức gần sau: S r[(1 - cosα) + 0,25k(1 - cos2α)] (4.2) T¹i thêi ®iÓm α = α1: S = S.(α1) = r[(1 - cosα) + 0,25k(1 - cos2α1)] P1 = P0 n V01 [V01 − S (a1 )f3 ]n P2 = P0 ; n V02 [V02 − S (a1 )f4 ]n b/ Hµnh trình đoạn máy từ < < α2: f1 P1 + P0 (f2 − f1 ) − f2 P2 − ϕ1 G = M d2x (4.3) dt Trong đoạn 1, piston nén công tác chuyển động, giải phơng trình ta đợc: b1 (A1 sin q1α + B1 cos q 1α − q1 cos α ) (4.4) X = a [1 − cos q (α − α1 )] + ω2 q q ( ) Đạo hàm bậc 1, bậc theo thời gian phơng trình (4.4) ta đợc tốc độ, gia tốc đầu búa: b ( A1 cos q 1α − B1 sin q 1α + cos α ) v = ω a 1q sin q (α − α1 ) + ω q1 ( ) Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng 41 Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao j = a 1q cos q (α − α1 ) + b1 (− A1 sin q 1α − B1 cos q 1α + cos α ) (q ) −1 ⎛ k⎞ b1 ⎜1 + ⎟ − f1 g 4⎠ a1 = ⎝ l1 Trong ®ã: P0 n.g.r ⎛ f1 f3 f2 f4 ⎜ b1 = + G ⎜ V01 V02 ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ P0 n.g ⎛ f12 f2 ⎞ ⎜ ⎟ = + G ⎜ V01 V02 ⎟ ⎝ ⎠ l q1 = ω A1 = q cos α1 sin q 1α1 − sin α1 cos q 1α1 l1 B1 = q cos α1 cos q 1α1 − sin α1 sin q 1α1 Khi α1 = α th×: P1 = P2 = n p V01 [V01 + X α2 f1 − S α2 f3 ]n n p V02 [V02 + X α2 f2 − S α2 f4 ]n thời điểm = buồng piston nén thông với trời nên P2 = P0 Bởi > P2 xác định theo c«ng thøc sau: n ⎡ ⎤ V02 + R∗ ⎥ P2 = P0 ⎢ n ⎢ (V02 − f2 X + f S ) ⎥ ⎣ ⎦ ∗ R = 1− n V02 (V02 − f2 X α + f4 S )n Từ đẳng thức ta thÊy r»ng thiÕt kÕ cho f2.Xα2 = f4.S2 R = tức P2 = P0 Do buồng xilanh nén thông với trời giảm áp suất không xảy c/ Hành trình đoạn thứ (2 3) Phơng trình chuyển động đầu búa đoạn cã d¹ng: f1 P1 + P0 (f2 − f1 ) − f2 P2 − ϕ1 G = M d2x dt Giải phơng trình ta đợc tốc độ đầu búa: Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng 42 Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao v = (a + X1 )cos q sin q (α − α ) + v cos q (α − α ) + b (A cos q a − B cos q a + sin a ) v1 sin q (α − α ) + 2 w (q − 1) ω.q X1 = Xα2; v1 = v2 Trong X1, v1 đờng tốc độ đầu búa cuối giai đoạn (tại thời điểm = ) Gia tốc đầu bóa: dv j=ω = (a − X )q ϖ cos q (α − α ) − v ω.q sin (α − α ) + dα ⎤ b q ⎡ + 2 ⎢− A sin q α − B cos q α + cos α ⎥ q2 q2 −1 ⎣ ⎦ Trong ®ã: f P R ∗ g k⎞ ⎛ b ⎜1 + ⎟ − ϕ1 g − 4⎠ G a2 = ⎝ l2 b2 = P0 n.g.R ⎛ f1 f3 f2 f4 ⎜ + ⎜ V01 G V02 ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎟ ; q2 = l2 ⎟ ω ⎠ A = q cos α sin q α − sin α cos q α l2 = P0 n.g ⎛ f12 f2 ⎜ + G ⎜ V01 V02 ⎝ B = q cos α cos q α + sin α sin q d/ Hành trình đoạn tõ α3 < α < α4 Khi α = α3 áp suất không khí buồng đệm bằng: P0 n ⎤ ⎡ V02 = P0 ⎢ + R∗ ⎥ ⎥ ⎢ (V02 − f2 H δ + f4 S δ )n Trong đó, S = S3 - hành trình máy thời điểm đóng rÃnh thông buồng xilanh H = X3 Khi > áp suất buồng đệm P tÝnh theo c«ng thøc: Pδ hn = Pδ0.hδn (4.5) Trong ®ã h - chiỊu cao cđa bng ®Ưm t¹i ®iĨm xét; h - chiều cao toàn phần buồng đệm Nếu gọi X1 chiều sâu sử dụng piston buồng đệm Z = X1/hd chiều cao tơng đối sử dụng piston buồng đệm từ ( 4.5) ta có: Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng 43 Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao n n n h hδ ⎞ ⎛ ⎞ Pδ = Pδ0 ⎜ ⎟ = Pδ0 ⎜ ⎜ h − X ⎟ = Pδ0 ⎜ − Z ⎟ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ h Nếu vẽ đồ thị P theo biến số Z ta có đồ thị nh hình 4.4 Pδ0 X1 h hδ Pδ/Pδ0 0,2 0,4 0,6 0,8 Z Hình 4.4 Để đơn giản cho tính toán ta chia đờng cong số phần thay phần đoạn thẳng nối điểm đầu điểm cuối đoạn cong Các đoạn thẳng có phơng trình tổng quát: X H Xn ⎞ Pδ ⎟ = γ n + k ′n (Z − Z n ) = γ n + k ′n ⎜ − ⎜ h Pδ0 hδ ⎟ δ ⎝ ⎠ Trong đó: n - tung độ điểm đầu đoạn thẳng; Kn - hệ số góc đoạn thẳng; Z, Zn - hoành độ điểm đầu cuối đoạn thẳng X - hành trình máy búa lúc cuối (lúc xét); Xn - tổng chiều sâu ban đầu sử dụng piston buồng đệm; Đối với đoạn thẳng thứ nhất: Xn = 0; Đối với đoạn thẳng thứ 2: Xn = X1 Đối với đoạn thẳng thứ 3: Xn = X1 + X2; Đối với đoạn thẳng thứ 4: Xn = X1 + X2 + X3 Phơng trình chuyển động đầu búa đoạn 3: f1 P1 + P0 (f2 − f1 ) − f2 Pδ − ϕ1,2 G = M d2x dt (4.6) ϕ1 = 1,1; = 0,9 Giải phơng trình ta ®−ỵc: X = a [1 − cos q (α − α )] + X cos q (α − α ) + + b (A sin q 3α + B cos q 3α + q cos α ) ( v2 sin q (α − α ) + ω.q ) q ω2 q − Trong đó: Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng (4.7) 44 Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao a3 = f P g ⎡ k ′ (H + X n ) P0 ⎤ k⎞ ⎛ b ⎜1 + ⎟ − ϕ1,2 g − δ0 ⎢ γ n − n δ − ⎥ 4⎠ G ⎣ hδ Pδ0 ⎦ ⎝ l3 P0 n.g.R.f1 f3 G.V01 b3 = l3 P k′ P0 g ⎛ n.f12 ⎜ = + f2 δ0 n G ⎜ V01 P0 h δ ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ l3 ω A = q cos α sin q α − sin α cos q α q3 = B = q cos α cos q α + sin α sin q Tốc độ đầu búa gia tốc đầu búa đợc tính: v = (a + X )ω.q sin q (α − α ) + v cos q (α − α ) + b (A cos q 3a − B cos q 3a + sin a ) ( ) w q3 −1 j = (a − X )q ϖ cos q (α − α ) − v ω.q sin (α − α ) + + ⎤ b q ⎡ cos α ⎥ ⎢− A sin q 3α − B cos q 3α + q3 q3 −1 ⎣ áp suất không khí buồng xilanh nÐn: P2 k ⎡ V − f H + f S = Pδ0 ⎢ 02 m δ ⎢ (V02 − f2 H m + f S ) n Trong S ®−êng ®i cđa piston nÐn t¹i thêi ®iĨm ®ãng r·nh thông buồng xilanh áp suất bng d−íi xilanh vÉn tÝnh theo c«ng thøc: P1 = n p V01 [V01 + X.f1 − S.f3 ]n đ/ Hành trình đoạn đầu búa Phơng trình chuyển động đầu búa tơng tự nh đoạn 2: f1 P1 + P0 (f2 − f1 ) − f2 P2 − ϕ G = M d2x dt Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng 45 Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao Giải phơng trình nhận đợc: X = a [1 − cos q (α − α )] + X cos q (α − α ) + + b (A sin q α + B cos q α + q cos α ) ( v3 sin q (α − α ) + ω.q (2.8) ) q ω2 q − Trong ®ã: f2 P0 R ∗ k⎞ ⎛ b ⎜1 + ⎟ − ϕ g − 4⎠ G a4 = ⎝ l2 b4 = l2 P0 n.g.R ⎛ f1 f3 f2 f4 ⎞ ⎟ ⎜ + G.V01 ⎜ V01 V02 ⎟ ⎠ ⎝ P0 g.n ⎛ f1 f ⎜ = + G ⎜ V01 V02 ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ l4 ω A = q cos α sin q α − sin α cos q α q4 = B = q cos α cos q α + sin α sin q α X3 = Xα3; v3 = v3 Tốc độ đầu búa đợc tính: v = (a + X )ω.q sin q (α − α ) + v cos q (α − α ) + b (A cos q a − B cos q a + sin a ) ( ) w q2 −1 Khi thiÕt kÕ ph¶i tÝnh cho q > 0,9 Vì toán phức tạp nên hớng thay đổi thông số: j = (a − X )q ϖ cos q (α − α ) − v ω.q sin (α − α ) + ⎤ b q ⎡ cos α ⎥ ⎢− A sin q α − B cos q α + q4 q2 −1 ⎣ ⎦ Nếu vẽ đồ thị biểu diễn hành trình piston nén piston công tác theo góc quay trục khuỷu ta đợc đồ thị có dạng hình 4.5a vận tốc đầu búa theo góc quay có dạng nh hình 4.5b + Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng 46 Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao S,X X S a/ b/ 00 V 00 α0 α1 1800 3600 αb α1 α0 α5 H×nh 4.5 Chó ý: Khi λi = ω tøc qi = có cộng hởng Lúc phần cuối x, y, j có dạng 0/0 Vì phải dùng quy tắc lopitan để tìm x, v, j Tuy vËy lµm viƯc chiỊu cao vật rèn góc tăng lên Vì = phát sinh thời điểm Còn thời điểm lại i nên cộng hởng mà có cộng hởng có buồng đệm vật rèn nên máy làm việc bình thờng (P = at) Khi tính toán ta phân tích điều kiện cộng hởng để nhận đợc biên độ dao động lớn tức có tốc độ va đập lớn Tuy nhiên tợng cộng hởng có h chiều cao vật chọn để tính toán, ta có: V01 = [4af1 + f3(2r + bM)].1,09 + f1.h V02 = [f2.H + bb.fH].1,04 - f2.h A = 25 mm; b = bH = mm Trong ®ã: a - khoảng cách từ mép dới piston công tác đến nắp dới xilanh; H - hành trình lắp ráp; h - chiỊu cao vËt rÌn γa - chiỊu cao kho¶ng trèng có hại dới xilanh công tác; bb, bH - chiều cao khoảng trống có hại dới xilanh nén Trong công thức xác định vận tốc đầu búa ta thÊy c¸c hƯ sè q, b, λ, a C¸c hệ số phụ thuộc vào chiều cao thông số cđa m¸y bóa R, γ1, γ2, γ3, γ4 chiỊu cao cđa vËt rÌn h Khi va ®Ëp h thay ®ỉi, chọn thông số cho tốc ®é va ®Ëp lín nhÊt 4.1.4 Gi¶n ®å chØ dÉn, công hiệu suất máy búa a/ Giản đồ dẫn Biểu diễn thay đổi áp suất buồng dới theo hành trình piston nén hành trình đầu búa (H.2.6), ta vẽ đợc đờng cong áp suất phụ thuộc vào trị số góc quay trục khuỷu vào công thức tính áp suất P1, P2 Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng 47 Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao P1 P1 2,0 ¸p suÊt khÝ trêi 1,0 2,0 α1 D−íi Trên 2,0 2,0 =0 1,0 1,0 áp suất khí trêi α1 D−íi Xilanh nÐn D−íi Trªn αb P2 α4 P2 α1 ¸p suÊt khÝ trêi 1,0 α4 Më buồng đệm Đóng Buồng đệm áp suất khí trời Trên S, cm Trên Xilanh công tác X, cm Dới Hình 2.6- Giản đồ dẫn ¸p st kh«ng khÝ P1 ë c¸c bng d−íi cđa xilanh t−¬ng øng b»ng nÕu bá qua sù rò van tiết lu không khí rÃnh nối áp suất không khí P2 nh xilanh tr−íc ®ãng bng ®Ưm Sau ®ãng buồng đệm, áp suất không khí buồng cđa xilanh nÐn gãc quay α = α3 ÷ α4 thay ®ỉi theo biĨu thøc: P2 k ⎡ V − f H + f S = Pδ0 ⎢ 02 m δ ⎢ (V02 − f2 H m + f S ) ⎣ ⎤ ⎥ ⎥ ⎦ n Trong S - hành trình piston nén lúc đóng buồng đệm; S - giá trị tức thời hành trình piston nén sau đóng buồng đệm; Giản đồ dẫn đặc trng cho công không khí xilanh máy búa Chỉ số công dẫn không khí dới đợc xác định theo giản đồ b/ Công hiệu suất máy búa Năng lợng điện cung cấp động điện đợc biến đổi liên tục thành động thành công dẫn không khí xilanh công tác xilanh nén, thành công học nâng phận rơi lợng đập có ích LE Sau hành trình kép, không khí xilanh công tác thực công dẫn Aip Công đo đợc xác định theo công thức: Aip = AipH + Aipb Trong đó, AipH, Aipb công dẫn không khí dới xilanh Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao 48 công tác xác định theo giản đồ dẫn Công dẫn không khí Aip tiêu tốn để tạo lợng có ích thắng ma sát: Aip = LE + 2ϕ.G.H Trong ®ã, ϕ - hƯ sè mÊt mát ma sát; G - trọng lợng rơi; H - hành trình búa M = LE/An = MP.MK.oi 0,55 ữ 0,65 Nếu nh tính toán đến tất lợng mát động điện, hộp giảm tốc, mạng điện máy phát hiệu suất va ®Ëp ta sÏ cã hiƯu st kinh tÕ cđa thiÕt bị máy búa Hiệu suất phụ thuộc vào điều kiện chế tạo trạng thái làm việc 0,03 ữ 0,06 4.1.5 Xilanh piston máy búa Xilanh chi tiết quan trọng máy búa Hiện thờng dùng hai dạng xilanh nguyên xilanh có đáy hở Xilanh có đáy hở gia công dể có dạng ống rỗng, nên dể tiện doa Giữa xilanh thân máy có đặt đệm Xilanh búa thờng đúc gang có chiều dày phải tính đến lợng kim loại bị mài mòn đem doa lại không lần lần mm Xilanh búa dập chế tạo đúc thép cácbon mềm (C30) bên xilanh búa có bạc lót làm gang GX28-48 Chiều dày xilanh = 0,1D (nếu làm thép) , máy búa nhỏ = 0,2D Chiều dày bạc xilanh = 0,05D Trong trình làm việc, bạc xilanh bị vỡ piston va đập Để xác định đờng kính xilanh máy búa tác dụng kép dùng công thức thực nghiệm sau: Trong đó: Từ ®ã: πD n p = (3 ÷ 5)G Dn - đờng kính piston (cm); p - áp suất đồng hồ đo (at) G - khối lợng phần rơi (kg) Dn = 4(3 ữ 5)G G = (1,95 ÷ 2,5) π.p p nÕu p = at Dn = (0,8 ữ 1,03) G Giữa piston xilanh xécmăng Số lợng xécmăng thờng từ ữ đợc chế tạo thép (C35; C40) Vì có tính đàn hồi xécmăng nên piston thành xilanh giữ đợc độ khít, ngăn cản lu thông buồng buồng dới Thời gian làm việc xécmăng từ đến a b 12 tháng Xécmăng sử dụng loại (Hình 4.7) Loại b tốt kín nhng chế tạo lại khó Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao Chiều cao piston: hn = (1 ữ 0,8)d d - đờng kính piston Đờng kính piston thờng nhỏ đờng kính xilanh (1 ữ 2,5) mm Piston chi tiết có khối lợng Gn 0,05GH Piston chế tạo thép 45, 50 (Hình 4.8) Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng 49 50 Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao 4.2 Máy ép trục khuỷu 4.2.1 Sơ đồ nguyên lý Máy ép trục khuỷu có lực ép từ 16 ữ 10.000 Máy có loại hành trình đầu trợt cố định gọi máy có hành trình cứng; có loại đầu trợt điều chỉnh đợc gọi hành trình mềm Nhìn chung máy lớn có hành trình mềm Trên máy ép khí làm đợc công việc khác nhau: rèn khuôn hở, ép phôi, đột lỗ, cắt bavia v.v Sơ đồ nguyên lý đợc trình bày hình sau: Nguyên lý làm việc: Động (1) qua bé trun ®ai (2) trun chun ®éng cho trục (3), bánh (4) ăn khớp với bánh (7) lắp lồng không trục khuỷu (5) Khi đóng li hợp (6), trục khuỷu (8) quay, thông qua tay biên (8) làm cho đầu trợt (9) chuyển động tịnh tiến lên xuống, thực chu trình dập Đe dới (10) lắp bệ nghiêng điều chỉnh đợc vị trí ăn khớp khuôn khuôn dới Đặc điểm máy ép trục khuỷu: chuyển động đầu trợt êm máy búa, 10 suất cao, tổn hao lợng ít, nhng có nhợc điểm phạm vi điều chỉnh hành trình bé, đòi hỏi tính toán phôi xác phải làm phôi kỹ trớc dập 4.2.2 Động học cấu tay biên-trục khuỷu Khi thiết kế máy ép trục khuỷu ta cần xác định thông số động học (quy luật thay đổi hành trình, tốc độ gia tốc đầu trợt), xác định trị số động học suốt hành trình công tác Hầu hết máy ép trục khuỷu có cấu tay biêntrục khuỷu Ta cần xem xét động học cấu a/Trờng hợp đồng trục A L-R M R HMax S B2 L+R L B1 Bàn máy HMin Sα Hmin, Hmax: chiỊu cao khÐp kÝn nhá nhÊt vµ lớn máy S - hành trình toàn máy S - hành trình tức thời máy t−¬ng øng víi gãc quay α α - gãc quay trục khuỷu tính từ đờng trục tới bán kính khuỷu - góc kẹp biên đờng trục R, L - bán kính khuỷu, chiều dài biên - vËn tèc gãc cđa trơc khủu H 4.9- Ph©n tích động học cấu tay biên-trục khuỷu Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng 51 Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao K - hệ số tay biên K = R/L B1, B2 - điểm chết trên, dới máy Hành trình đầu trợt Tõ h×nh 2.9: Sα = R + L - Rcosα - Lcosβ = R(1 - cosα) + L(1 - cosβ) AM = Rsinα = Lsinβ ⇒ sinβ = (Rsinα)/L ( ) ( (1) ) cos β = − sin β = − K sin α 1 ≈ − K sin α = − K (1 − cos 2α ) 2 Tõ (1) ta cã: ⎡ ⎤ L K2 ⎡ ⎤ (1 − cos 2α )⎥ S α = R ⎢1 − cos α + (1 − cos β )⎥ = R ⎢(1 − cos α ) + R K ⎣ ⎦ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ K ⎡ ⎤ S α = R ⎢(1 − cos α ) + (1 − cos ) Tốc độ đầu trợt: dS d ⎡ K ⎤ dα Vα = α = R ⎢(1 − cos α ) + (1 − cos 2α )⎥ dt dα ⎣ ⎦ dt mµ dα = ω Gi¶ thiÕt r»ng, ω = const dt K ⎡ ⎤ Vα = ωR ⎢sin α + sin 2α Gia tốc đầu trợt: Vậy, d S α dv Jα = = = ω2 R[cos α + K cos 2α ] dt dt (2) (3) Xác định góc biết S: Nếu biết trị số hành trình S, thực tế tính toán ngời ta tìm trị số góc nh sau: ⎤ ⎡ Tõ c«ng thøc: S α = R ⎢(1 − cos α ) + (1 − cos β)⎥ K ⎦ ⎣ Thay: cos β = − K sin vào công thức trên, ta đợc: ⎤ ⎡ S α = R ⎢1 − cos α + ⎛1 − − K sin α K Đặt C = S/R vào phơng trình ta đợc cos: Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng 52 Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao C + 2(1 − C )⎜1 + ⎟ ⎝ K⎠ cos α = 1⎞ ⎛ 2⎜ − C + ⎟ K Công thức đợc gọi công thức Xt«r«giÐp (4) SR 1,6 K = 0,1 K = 0,2 K = 0,3 K = 0,4 1,2 0,8 0,4 SR = S/R V ωR 0,8 K = 0,1 K = 0,2 K = 0,3 K = 0,4 0,4 - 0,4 - 0,8 V ωR J J ω2 R 0,8 ω2 R 0,4 K = 0,1 K = 0,2 K = 0,3 K = 0,4 - 0,4 - 0,8 30 60 90 120 150 180 210 240 270 H.4.10- Đồ thị S, V, J Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng 300 330 53 Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao Vẽ ®å thÞ biĨu diƠn Sα, Vα, Jα hay Sα/R, Vα/ωR, J/2R phụ thuộc vào góc quay ta đợc dạng đồ thị nh hình 4.10 Từ ta thấy rằng, hành trình tốc độ đầu trợt chịu ảnh hởng hệ số tay biên K, gia tốc chịu ảnh hởng nhiều hệ số K Hệ số K ảnh hởng đến lực, làm thay đổi chế độ lực tác dụng lên máy ảnh hởng đến kích thớc (ngang dọc) máy Vì loại máy khác nhau, giá trị khác b/Trờng hợp không đồng trục Từ hình 4.11 ta thấy rõ rằng: Hành trình đầu tr−ỵt: Sα = R A α (R + L )2 − e − (R cos α + L cos β) e Ký hiÖu: K = R/L; e’ = e/R (e’ lµ hƯ sè lƯch L β H trơc) Cịng chó ý r»ng: sinβ = Ksinα + e’K B cos β = − (K sin α + e' K )2 K2 (sin α + e' )2 ≈ 1− S (5) B1 Hình 4.11- Trờng hợp không đồng trục e2 ⎛ e ⎞ Ta cã: 1−⎜ ⎟ ≈R+L− 2(R + L ) R+L Thực tế giá trị K e nhỏ, ta có đợc: (R + L )2 − e = (R + L ) ⎡ K e'.K ⎤ S α = R ⎢1 − cos α + (1 − cos 2α ) + K.e' sin α + ⎥ (6) (1 + K ) Trong công thức này, e e có dấu + vị trí điểm B bên phải đờng trục thẳng đứng từ điểm O Còn e có dấu - B bên trái đờng trục Hệ số K = 0,05 ữ 0,45 (thờng K < 0,25) e’ = ÷ 1,3 (th−êng lÊy e’ < 0,5) Khi sai số S không vợt ữ 10% Tơng tự nh với cấu đồng tâm, ta có tốc độ đầu trợt (sai số < 6%) K ⎛ ⎞ Vα = ωR⎜ sin α + sin 2α + e'.K cos α ⎟ ⎝ ⎠ Gia tốc đầu trợt (sai số nhỏ 8%): Jα = ωR2(cosα + Kcosα - e’.Ksinα) Gãc quay α (khi α < 300) cã thĨ tÝnh theo c«ng thøc gần sau: e'.K 1+ K 2S (1 + K )R (7) (8) (9) Đối với cấu có nhiều khâu, việc thiết lập công thức S, V, J cồng Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao 54 kềnh phức tạp Vì thờng xây dựng đồ thị S cách vẽ nhiều vị trí đầu trợt Còn đồ thị V, J có đợc cách vi phân đồ thị S Ngày với phần mềm có khả mô động học nh Solid Work, CATIA, Solid Edge, ngời ta dễ dàng xác định đợc đồ thị S, V, J sau đà xây dựng mô hình ba chiều kết cấu máy Lúc cần cho kh©u dÉn - trơc khủu quay theo qui lt xác định trớc 4.2.3 Tĩnh học cấu tay biên-trục khuỷu Lực quán tính cấu chấp hành biên - trục khuỷu nhỏ bỏ qua đợc Đối với mayeps tự động, theo Hapo A, lực quán tính máy cỡ trung bình cỡ lớn không vợt 10% lực ép danh nghĩa, máy ép thông dụng có số hành trình nhỏ h[n nhiều so với máy ép tự động nên lực quán tính nhỏ Vì phần ta xét đến tĩnh học cấu Khi tính toán lực tĩnh tác dụng lên khâu cấu cần phải đặc biệt ý đến tác dụng lực ma sát Lực tác dụng lên đầu trợt máy ép thờng lớn, tạo cho khớp nối phải có kích thớc lớn Vì bỏ qua ma sát ë c¸c khíp nèi tÝnh to¸n sÏ dÉn tíi sai số đáng kể xác, ví dụ nh tính đến qúa trình kẹt máy Việc xác định lực tác dụng lên cấu nh tính toán động học cấu phơng pháp đồ thị giải tích đồ thị Để tính độ bền chi tiết, phận máy (cũng nh tính lợng) cần biết: - Các lực thực tế tác dụng lên thanh, dầm máy bao gồm: + Trở lực có ích (lực công nghệ) + Trọng lợng thân cấu + Lực ma sát khớp nối + Lực quán tính Trong lực cần ý đến trở lực có ích lực ma sát tính toán cấu phụ mà trở lực có ích không lớn tính máy có hành trình lớn lực quán tính đợc xét đến - Các phản lực ổ, khớp nối thanh, dầm máy - Mômen xoắn mà thanh, dầm chịu tác dụng Trong phạm vi giáo trình này, ta không sâu để xét cụ thể loại cấu mà xét đến tĩnh học cấu biên - trục khuỷu trờng hợp lý tởng (không tính đến ma sát) thực tế (có ma sát) Dạng cấu biên - trục khuỷu lệch tâm tổng quát loại đồng tâm a/Trờng hợp lý tởng Ta coi kích thớc cấu đà biết vị trí trục khuỷu tơng ứng với góc quay Lực đà cho PD tác dụng lên đầu trợt đợc xác định trở lực có ích trị số lực ép danh nghÜa cđa m¸y tÝnh to¸n m¸y Ðp Tr−êng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng 55 Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao PD + PH = PAB với, PH : lực tác dụng lên dÉn h−íng Aα f.rA C PHn PAB Bëi v×: sinβ = K(sinα + e’), ta cã: PD u ; PAB = 2 − K (sin α + e' ) u PH = f.rA R PAB : lùc tác dụng dọc theo biên Chỉ số u tơng ứng với lực trờng hợp lý tởng Từ hình 4.12 thÊy r»ng: P u u PAB = D ; PH = PD tgβ cos β mK φ u u PHn PAB β PD γ L β γ f.rB B PD Hình 4.12- Tĩnh học cấu biên - trơc khủu PD K (sin α + e' ) K (sin + e' )2 nh với tính toán động học, giá trị K, e nhỏ sin ta đợc công thức gần sau: u PAB PD ; PH ≈ PD K (sin α + e ) §Ĩ xác định mômen xoắn tác dụng lên trục khuỷu Muk ta sử dụng phơng trình công nguyên tố: ds M u dα = PD ds hay lµ M u = PD k k d Thay vào công thức sau này, giá trị ds/d từ công thức (7) ta có: K ⎛ ⎞ M u = PD R⎜ sin α + sin 2α + K.e' cos α ⎟ k ⎝ (10) K Đại lợng R sin + sin 2α + Ke' cos α ⎟ c«ng thức (10) gọi cánh tay u đòn mômen xoắn trờng hợp lý tởng m k; muk tìm đợc cách tính toán h×nh häc theo h×nh 4.13 K ⎛ ⎞ m u = R⎜ sin α + sin 2α + Ke' cos α ⎟ k ⎝ ⎠ Tõ (11) thÊy râ rằng: V mu = (tốc độ dài/tốc độ góc) k Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng (11) 56 Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao b/Trờng hợp thực tế Theo Nguyên lý máy, mômen ma sát khớp nối biên, lực tác dụng lên biên PAB R không hớng theo trục tâm mà hớng theo tiếp A tuyến chung vòng tròn ma sát đầu lớn e đầu nhỏ biên (hình 4.12) L Ta ký hiƯu: β r0: b¸n kÝnh ë ỉ tùa cđa trơc khủu B rA: b¸n kÝnh ngâng khủu (ngâng lắp biên) rB: bán kính khớp nối biên với đầu trợt à: hệ số ma sát r khớp nối dẫn hớng Hình.4.13- Tĩnh học cấu biên - trơc khủu cã ma s¸t ϕ: gãc ma s¸t, tgϕ = A, B: bán kính vòng tròn ma sát đầu lớn nhỏ biên (A = à.rA, B = à.rB) : góc kẹp biên vàđờng tiếp tuyến hai vòng tròn ma sát Nếu phân tích cân điểm A B ta thấy lực tác dụng lên biên hớng từ phía phải điểm B đến phía trái điểm A (hình 4.12) Từ tâm B kẻ đờng thẳng BC song song với tiếp tuyến vòng tròn ma sát A B hạ đờng vuông góc AC từ tâm A với đờng thẳng Rõ ràng CBA = γ; CA = f (r + r ); AB = L ∆ABC cã: A B f (rA + rB ) L Từ tam giác lực, theo định lý hàm sè sin, ta cã: PAB PD = sin 90 + ϕ sin 90 − (β + γ + ϕ) cos ϕ ⇒ PAB = PD cos(β + γ + ϕ) Do ®ã, sin γ = ( ) [ ] Gãc ϕ th−êng < 5040’ (khi f = 0,1); γ = 30; β < 100 α ®đ nhá (< 300) với cos giá trị k, thông thờng k < 0,25 Khi đó, tỷ lệ < 1,06 vµ ta cã thĨ coi cos(β + γ + ) PAB = PD mà sai số không lớn (< 6%) Cịng tõ tam gi¸c lùc ta rót lùc tác dụng lên phận dẫn hớng: sin ( + β) P ' Hn = PD cos(β + γ + ) Thành phần lực ngang lực PHn: sin( + β) cos ϕ PHn = P ' Hn cos = PD cos( + + ) Thành phần lực ngang tính theo công thức gần ®óng sau (khi k ≤ 0,25; α ≤ 300; sai số PHn < 3%): Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao 57 PHn = PD[K(sin + e) + tg] Mômen xoắn Mk máy thực đợc xác định từ phơng trình cân công nguyên tố vị trí tức thời cấu trục khuỷu Ta nhËn thÊy r»ng trơc khủu quay mét gãc dβ, biên quay tơng đầu trợt góc d, góc quay trục khuỷu biên (dα + dβ), ®ã: Mkdα = PDdsα + fPHndsα + fPABrBdβ fPABrA(dα + dβ) + fPOIrOIdα + fPOIIrOIIdα đó, POI; rOI; POII; rOII tơng ứng với phản lực bán kính ổ đỡ thứ thứ hai trục khuỷu (xem hình 4.14 trục khuỷu) Thành phần thứ hai biểu thức bỏ qua PHn < 0,3PD tích số fPHn không vợt 3% số hạng Khi đà bỏ qua thành phần thứ hai chia tất thành phần phơng trình cho d với tính toán gần PAB = PD, ta có: M k = PD ⎡ dβ ⎛ dβ ⎞ POI rOI POII rOII ⎤ ds + + ⎜1 + + fPD ⎢rB ⎟+ ⎥ PD PD ⎦ dα ⎣ dα ⎝ dα ⎠ ds α = m u vµ sin β = k (sin α + e' ) k dα Sau vi phân biểu thức sin ta đợc: d cos cos βdβ = k cos αdα ⇒ =k dα cos Vậy trờng hợp đó: Bởi vì: P r P r ⎤ M k = PD m u + fPD ⎢ krB cos α + rA (1 + k cos α ) + OI OI + OII OII ⎥ k PD PD ⎦ ⎣ Ta nhËn thÊy sè thành phần thứ hai vế phải biểu thức phụ thuộc vào điều kiện ma sát phụ thuộc không đáng kể vào góc quay Thành phần thứ hai đợc ký hiệu mfk gọi cánh tay đòn ma sát (không có PD ngoặc vuông): P r P r (*) m f = f ⎢ krB cos α + rA (1 + k cos α ) + OI OI + OII OII ⎥ k PD PD ⎦ ⎣ Trong thùc tế tính toán, coi tổng phản lực ổ lực PD (nếu bỏ qua ảnh hởng lực vòng bánh răng) giá trị lớn cánh tay đòn ma sát mfk (coi cos = 1) trờng hợp cụ thể đợc suy từ công thức (*): - Trục khuỷu (h×nh 4.14a): mfk = f[(1 + k)rA + krB + r0] (trục phân bố phía máy) mfk = f[(1 - k)rA + krB + r0] (trơc ph©n bè ë phÝa d−íi cđa m¸y) - Trơc tay quay (h×nh 4.14b): ⎤ ⎡ ⎛ l l ⎞ m f = f ⎢(1 + k )rA + krB + rOI + ⎜ + ⎟rOII ⎥ k ⎜ l l2 Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng 58 2rA a) 2r0I 2r0II 2rA Trong công thức tính mfk trên, ta đà bỏ qua trị số cos nhng không gây sai số nhiều máy ép, trị số k thông thờng nhỏ Tóm lại, mômen xoắn trờng hợp thực tế (có ma sát) ®èi víi trơc khủu b»ng tÝch cđa lùc PD víi cánh tay đòn tổng: mk = muk + mfk Mk = PD.mk = PD(muk + mfk) Cánh tay đón lý tởng m u k phụ thuộc vào vị trí trục khuỷu đợc tính với giá trị , cánh tay đòn ma sát coi nh cố định đợc xác định hệ số ma sát kích thớc cấu (hình 2.15) Hệ số ma sát khớp nối ổ đợc lấy nh nhau: f = 0,06 bôi trơn mỡ; f = 0,04 bôi trơn dầu thiết kế máy Nếu Mk cố định lực tác dụng lên đầu trợt lớn góc nhỏ, lực đạt giá trị lớn = 2r0 Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao b) L2 L1 H×nh 4.14- Trơc khủu mk mk mu k mfk Hình 4.15- Các cánh tay đòn ma sát Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà n½ng ... chiều dài biên - vận tốc góc trục khuỷu H 4. 9- Phân tích động học cấu tay biên-trục khuỷu Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng 51 Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao K - hệ số tay biên... (Hình 4.7) Loại b tốt kín nhng chế tạo lại khó Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao Chiều cao piston: hn = (1 ữ 0,8)d d - đờng kính piston Đờng kính piston... đạt giá trị lớn = 2r0 Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao b) L2 L1 H×nh 4.1 4- Trơc khủu mk mk mu k mfk α Hình 4.1 5- Các cánh tay đòn ma sát Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng