Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao 37 Chơng 4 Một số thiết bị thông dụng trong 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 của chính bản thân máy. Theo đặc trng tác dụng của không khí lên piston công tác, ngời ta chia thành máy búa tác động đơn và máy búa tác động kép. Theo số xi lanh chia ra loại một xi lanh và loại hai xi lanh. Theo số phơng pháp dẫn hớng đầu búa, chia ra máy không có dẫn hớng và máy có dẫn hớng. Theo cách bố trí buồng đệm chia ra máy có buồng đệm trên và dới. Theo cấu tạo cơ cấu phân phối hơi chia ra máy có khoá ngang và van trụ. Theo loại thân máy: máy một trụ và 2 trụ. Máy búa đợc chế tạo phổ biến là loại 2 xi lanh tác động kép có 2 khoá ngang và một khoá không tải có khối lợng phần rơi 75 ữ 1000 kg. 4.1.2. Nguyên lý tác dụng của máy búa không khí nén Nhờ nhận đợc chuyển động từ động cơ qua hộp giảm tốc và cơ cấu biên - trục khuỷu, piston nén chuyển động qua lại nén không khí trong xi lanh để đa vào xi lanh công tác. Chuyển động của piston nén là chuyển động một bậc tự do và đợc xác định bằng góc quay của trục khuỷu (Hình 4.1). Trong máy búa không khí nén, chất công tác cũng là không khí và giữ chức năng nh đệm đàn hồi đảm bảo chuyển động của piston công tác phụ thuộc vào chuyển động của piston nén. Trong quá trình gia công, mặc dù chiều cao vật rèn thay đổi nhng số hành trình kép của máy búa không thay đổi và bằng số vòng quay của trục quay. Hình 4.1. Máy búa không khí nén 2 xilanh có 2 khoá ngang. a. Dạng chung; b. Vị trí điều khiển bằng tay Quy ớc ban đầu = 0 0 ứng với thời điểm piston nén ở vị trí cao nhất, piston công tác ở vị trí thấp nhất và đầu búa tiếp xúc với vật rèn. Trong vị trí này khoá trên và dới luôn mở, các buồng trên và dới của xi lanh nén thông với các buồng trên và dới Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao 38 của xi lanh công tác và đều thông với môi trờng nên có áp suất P 0 = 0,1 MN/m 2 (Hình 4.2a). Tại thời điểm = 0 = 1 : Khi piston nén từ vị trí ban đầu chuyển động xuống dới, áp suất trong buồng dới của 2 xi lanh tăng lên, còn áp suất trong các buồng trên giảm. Đến một lúc nào đó áp suất các buồng dới tăng đủ để thắng trọng lợng bộ phận rơi, lực ma sát và áp lực của không khí buồng trên và xi lanh công tác, piston công tác bắt đầu đợc nâng lên. Góc tơng ứng với thời điểm đó gọi là góc đầu búa rời khỏi vật rèn 1 . Tại thời điểm = 1 2 = 180 0 (Hình 4.2b): sự thay đổi áp suất không khí các buồng trên và dới phụ thuộc vào sự thay đổi tổng thể tích các buồng trên và dới của 2 xi lanh và tơng ứng với quá trình đoạn nhiệt P.V = const. Khi = 2 = 180 0 piston nén ở vị trí dới cùng, buồng trên xi lanh nén thông với ngoài trời còn buồng dới kín. Khi = 2 : chuyển động tiếp theo của 2 piston theo cùng một hớng. Khi = 3 piston công tác đóng rãnh thông giữa 2 buồng trên của 2 xi lanh. Do sự tăng dần trở lực của không khí trong buồng đệm và sự giảm áp suất trong các buồng dới, chuyển động của piston công tác chậm dần và dừng nhanh ở vị trí khi = b . Dới tác dụng của không khí trong buồng đệm, piston công tác đợc chuyển động ngay lập tức xuống dới một chút. áp suất của không khí trong buồng đệm thay đổi theo đờng đoạn nhiệt và khác với áp suất của không khí trong buồng trên của xilanh nén. = 4 (Hình 4.2c): khi hạ piston công tác, áp suất trong buồng đệm giảm và khi đó áp suất buồng trên của xilanh nén vẫn tăng do piston nén đang chuyển động lên. Đến lúc nào đó buồng trên xilanh công tác sẽ đợc thông với buồng trên xi lanh nén qua van một chiều. Thời điểm piston công tác ra khỏi buồng đệm tơng ứng với góc = 4 - = 4 = 5 . Trục khuỷu tiếp tục quay, piston nén lên gần tới điểm trên cùng còn piston công tác xuống tới vị trí dới và đập vào vật tại thời điểm = 5 < 360 0 . 4 c. Theo A Theo A Theo A A A A a. b. = 0 2 f 1 f 2 f 3 f 4 Hình 4 2. Vị trí của xilanh công tác và xilanh nén. 5 1 : Khi trục khuỷu quay từ 5 đến 1 , piston công tác đứng ở vị trí dới va đập nh vậy gọi là va đập dính. Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao 39 Chu trình tiếp theo lặp lại theo nguyên lý làm việc nói trên đợc biểu diễn bằng giản đồ chu trình vòng tròn (H.4.3) gồm 4 phần và ký hiệu: 1 - 2 : nâng piston công tác từ lúc đầu búa rời khỏi vật rèn đến lúc buồng trên của xilanh nén thông với môi trờng. 2 - 3 : nâng piston công tác từ lúc trớc đó đến lúc đóng buồng đệm. 3 - 4 : nâng và chuyển động tiếp theo xuống dới của piston công tác từ lúc đóng buồng đệm đến lúc mở buồng đệm. 4 - 5 : piston công tác chuyển động xuống dới từ lúc mở buồng đệm đến lúc va đập. Góc quay của trục khuỷu để nâng piston công tác ( 1 - b ) rất lớn so với góc quay ( b - 5 ) khi piston công tác chuyển động xuống dới. Trong máy búa 1 40 0 , b 270 0 và 5 = 340 ữ 360 0 . h S f 2 f 1 f 3 H X f 4 5 b 4 3 2 1 Hình 4.3- Giản đồ chu trình của máy búa (a) và nguyên lý của máy búa (b). Chú thích: Đờng nét đậm biểu diễn piston nén và piston công tác chuyển động cùng hớng. 4.1.3. Tính toán máy búa Ta thấy rằng: khi trục khuỷu quay một vòng,chuyển động của piston công tác đợc chia ra 4 giai đoạn riêng biệt. Để dể tính toán ta ký hiệu: G - trọng lợng phần rơi; M - khối lợng phần rơi. - vận tốc góc của trục khuỷu; n 0 - số vòng quay của trục khuỷu; n - hệ số đoạn nhiệt; r - bán kính trục khuỷu; l - chiều dài biên; h - chiều cao ban đầu của vật rèn; h - chiều cao của buồng đệm; H - hành trình của của đầu búa tính từ mặt trên của piston công tác đến buồng đệm; k - hệ số biên k = r/l; H - hành trình lắp ráp của piston công tác tính từ mặt trên của piston đến nắp xilanh khi piston công tác ở vị trí dới cùng và không có vật rèn; H m - hành trình cực đại của đầu búa tính từ mặt trên của piston đến nắp xilanh khi piston công tác ở vị trí dới cùng và có vật rèn; S và X - đờng đi của piston nén và công tác; Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao 40 f 1 , f 2 , f 3 , f 4 - diện tích mặt dới, mặt trên của piston công tác và piston nén; V 01 , V 02 - thể tích ban đầu của các buồng dới, các buồng trên của 2 xilanh kể cả thể tích các rãnh ở bộ phân phân phối khí; P 1 , P 2 - áp suất tuyệt đối của không khí ở các buồng dới, các buồng trên ở thời điểm đang xét; P - áp suất tuyệt đối của không khí ở buồng trên xilanh công tác tại thời điểm đóng buồng đệm; P 0 - áp suất của môi trờng; 0 , 1 , 2 - hệ số tính đến lực ma sát khi đầu búa đứng yên, chuyển động lên trên và chuyển động xuống dới; V 1 , V 2 - thể tích của các buồng dới, các buồng trên ở tại thời điểm đang xét; a/ Xác định góc rời khỏi vật rèn 1 Trong phần 0 0 < < 1 : đầu búa dừng ở vị trí dới. Trong phần đó tổng thể tích các buồng dới và các buồng trên V 1 và V 2 chỉ thay đổi do sự thay đổi thể tích buồng dới và buồng trên của xilanh nén: V 1 = V 01 - Sf 3 ; V 2 = V 02 - Sf 4 Từ phơng trình đoạn nhiệt ta có phơng trình cân bằng lực tác dụng lên piston công tác ta có: P 1 .f 1 + P 0 (f 2 - f 1 ) - P 2 f 2 - 0 .G = 0 Biến đổi phơng trình trên ta có: + = 02 4 01 3 0 0 V f.n.C V f.n P q. S (4.1) Mặt khác độ chuyển dịch của piston nén nhờ truyền động từ cơ cấu biên-trục khuỷu có thể tích theo công thức gần đúng sau: S r[(1 - cos) + 0,25k(1 - cos2)] (4.2) Tại thời điểm = 1 : S = S.( 1 ) = r[(1 - cos) + 0,25k(1 - cos2 1 )] () [] n 3101 n 01 01 faSV V PP = ; () [] n 4102 n 02 02 faSV V PP = b/ Hành trình đoạn 1 của máy từ 1 < < 2 : () 2 2 12212011 dt xd MG.P.fffPP.f =+ (4.3) Trong đoạn 1, piston nén và công tác đều chuyển động, giải phơng trình trên ta đợc: () [] () () + += cosqqcosBqsinA 1qq. b qcos1aX 11111 2 11 2 1 111 (4.4) Đạo hàm bậc 1, bậc 2 theo thời gian phơng trình (4.4) ta đợc tốc độ, gia tốc đầu búa: () ( ) () 1q cosqsinBqcosAb qsinqa.v 2 1 11111 11 2 11 + += Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao 41 () ( ) () 1q cosqcosBqsinAb qcosqa.j 2 1 11111 11 2 11 2 + += Trong đó: 2 1 11 1 l g.f 4 k 1b a + = += 02 42 01 3 10 1 V f.f V f.f G r.g.n.P b . += 02 2 2 01 2 10 2 1 V f V f G g.n.P l = 1 1 l q 11111111 qcossinqsincosqA = . 11111111 qsinsinqcoscosqB = . Khi 1 = thì: [] n 321201 n 01 0 1 f.Sf.XV V.p P + = . [] n 422202 n 02 0 2 f.Sf.XV V.p P + = ở thời điểm = 2 buồng trên của piston nén thông với ngoài trời nên P 2 = P 0 . Bởi vậy nếu > 2 thì P 2 xác định theo công thức sau: () + + = R S.fX.fV V PP n 4202 n 02 02 () n 242202 n 02 S.fX.fV V 1R + = Từ đẳng thức trên ta thấy rằng khi thiết kế sao cho f 2 .X 2 = f 4 .S 2 thì R = 0 tức là P 2 = P 0 . Do đó khi buồng trên xilanh nén thông với ngoài trời thì sự giảm áp suất không xảy ra. c/ Hành trình đoạn thứ 2 ( 2 3 ) Phơng trình chuyển động của đầu búa ở đoạn 2 có dạng: () 2 2 12212011 dt xd MG.P.fffPP.f =+ Giải phơng trình trên ta đợc tốc độ đầu búa: Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao 57 P Hn = P D [K(sin + e) + tg] Mômen xoắn M k trong máy thực đợc xác định từ phơng trình cân bằng công nguyên tố tại một vị trí tức thời của cơ cấu trục khuỷu. Ta nhận thấy rằng khi trục khuỷu quay một góc d, biên sẽ quay tơng đối với đầu trợt một góc d, còn góc quay giữa trục khuỷu và biên bằng (d + d), khi đó: M k d = P D ds + fP Hn ds + fP AB r B d fP AB r A (d + d) + fP OI r OI d + fP OII r OII d trong đó, P OI ; r OI ; P OII ; r OII tơng ứng với phản lực và bán kính ở ổ đỡ thứ nhất và thứ hai của trục khuỷu (xem hình 4.14 trục khuỷu). Thành phần thứ hai trong biểu thức trên có thể bỏ qua bởi vì P Hn < 0,3P D và tích số fP Hn không vợt quá 3% số hạng đầu tiên. Khi đã bỏ qua thành phần thứ hai và chia tất cả các thành phần của phơng trình cho d với tính toán gần đúng P AB = P D , ta có: ++ ++ + = D OIIOII D OIOI BDDk P rP P rP d d 1 d d rfP d ds PM Bởi vì: () 'esinksinvàm d ds u k +== Sau khi vi phân biểu thức sin ta đợc: = = cos cos k d d dcoskdcos Vậy trong trờng hợp đó: () +++++= D OIIOII D OIOI ABD u kDk P rP P rP cosk1rcoskrfPmPM Ta nhận thấy số thành phần thứ hai ở vế phải của biểu thức trên phụ thuộc vào điều kiện ma sát và phụ thuộc không đáng kể vào góc quay . Thành phần thứ hai đó đợc ký hiệu là m f k và gọi là cánh tay đòn ma sát (không có P D ở ngoài ngoặc vuông): () ++++= D OIIOII D OIOI AB f k P rP P rP cosk1rcoskrfm (*) Trong thực tế tính toán, có thể coi tổng phản lực ở các ổ bằng lực P D (nếu bỏ qua ảnh hởng của lực vòng ở bánh răng) và khi đó giá trị lớn nhất của cánh tay đòn ma sát m f k (coi cos = 1) trong các trờng hợp cụ thể đợc suy từ công thức (*): - Trục một khuỷu (hình 4.14a): m f k = f[(1 + k)r A + kr B + r 0 ] (trục phân bố ở phía trên của máy) m f k = f[(1 - k)r A + kr B + r 0 ] (trục phân bố ở phía dới của máy) - Trục tay quay (hình 4.14b): () +++++= OII 2 1 OI 2 1 BA f k r l l 1r l l krrk1fm Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao 58 Trong các công thức tính m f k ở trên, ta đã bỏ qua trị số cos nhng vẫn không gây sai số nhiều bởi vì đối với các máy ép, trị số k thông thờng nhỏ. Tóm lại, mômen xoắn trong trờng hợp thực tế (có ma sát) đối với trục khuỷu bằng tích của lực P D với cánh tay đòn tổng: a) 2r A 2r 0 2r 0II b) 2r 0I 2r A L 1 L 2 m k = m u k + m f k M k = P D .m k = P D (m u k + m f k ) Cánh tay đón lý tởng m u k phụ thuộc vào vị trí của trục khuỷu và đợc tính với giá trị của , còn cánh tay đòn ma sát coi nh cố định và đợc xác định bằng hệ số ma sát và kích thớc của cơ cấu (hình 2.15). Hình 4.14- Trục khuỷu. m k m k m f k m u k Hệ số ma sát ở các khớp nối và ổ đợc lấy nh nhau: f = 0,06 khi bôi trơn bằng mỡ; f = 0,04 khi bôi trơn bằng dầu trong thiết kế máy. Nếu M k cố định thì lực tác dụng lên đầu trợt càng lớn khi góc càng nhỏ, lực đó sẽ đạt giá trị lớn nhất khi = 0. Hình 4.15- Các cánh tay đòn ma sát. Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng