Giáo trình Công nghệ chế tạo phôi - Chương 4 pot

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
H
ình 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

H
ình 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
d
t
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
d
t
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
42
()
(
)
(

)
()
()
()
1qw
asinaqcosBaqcosAb
qsin
q.
v
qcosvqsinqcosXav
2
22222
22
2
1
22122212

+
+

+



+



+
=

X
1
= X

2
; v
1
= v

2
Trong đó X
1
, v
1
là đờng đi và tốc độ của đầu búa ở cuối giai đoạn 1 (tại thời
điểm =
2
)
Gia tốc của đầu búa:

( ) () ()






+

+
+=

=
cos
q
1
qcosBqsinA
1q
q.b
sinq vqcos.qXa
d
dv
j
2
2222
2
2
22
22122
22
212

Trong đó:
2
2
02
12
2
l

G
g.R.P.f
g.
4
k
1b
a








+
=









+=
02
42
01

3
10
2
V
f.f
V
f.f
G
R.g.n.P
b










+=
02
2
2
01
2
10
2
2
V

f
V
f
G
g.n.P
l
;

=
2
2
l
q


22222222
qcossinqsincosqA





= .

22222222
qsinsinqcoscosqB


+

= .
d/ Hành trình đoạn 3 từ
3
< <
4
Khi =
3
áp suất không khí trong buồng đệm bằng:

()








+
+
=



R
S.fH.fV
V
PP
n

4202
n
02
00

Trong đó, S

= S

3
- hành trình của máy tại thời điểm đóng rãnh thông giữa các
buồng trên của 2 xilanh.
H

= X

3


Khi >
3
áp suất trong buồng đệm P

sẽ tính theo công thức:
P

.h
n
= P

0
.h

n
(4.5)
Trong đó h - chiều cao của buồng đệm tại điểm đang xét;
h

- chiều cao toàn phần của buồng đệm.
Nếu gọi X
1
là chiều sâu sử dụng piston trong buồng đệm và Z = X
1
/h
d
là chiều
cao tơng đối sử dụng piston trong buồng đệm thì từ ( 4.5) ta có:
Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng
Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao
43

n
0
n
1
0
n
0
Z1
1

P
Xh
h
P
h
h
PP







=









=

=







Nếu vẽ đồ thị
0
P
P


theo biến số Z ta sẽ có đồ thị nh hình 4.4.
1
Z
P

/P

0

X
1
h


h

0 0
,
2 0
,
4 0
,
6 0
,
8

H
ình 4.4


Để đơn giản cho tính toán ta chia đờng cong ra một số phần và thay thế từng
phần bằng các đoạn thẳng nối điểm đầu và điểm cuối của đoạn cong. Các đoạn thẳng
có phơng trình tổng quát:

()

+=

+=




h
X
h
HX
kZZk
P
P
n
nnnnn
0

Trong đó:
n
- tung độ điểm đầu của đoạn thẳng;
K

n
- hệ số góc của đoạn thẳng;
Z, Z
n
- hoành độ điểm đầu và cuối của đoạn thẳng
X - hành trình của máy búa lúc cuối (lúc đang xét);
X
n
- tổng chiều sâu ban đầu sử dụng piston trong buồng đệm;
Đối với đoạn thẳng thứ nhất: X
n
= 0; Đối với đoạn thẳng thứ 2: X
n
= X
1
.
Đối với đoạn thẳng thứ 3: X
n
= X
1
+ X
2
;
Đối với đoạn thẳng thứ 4: X
n
= X
1
+ X
2
+ X

3
.
Phơng trình chuyển động của đầu búa ở đoạn 3:

()
2
2
2,1212011
d
t
xd
MG.P.fffPP.f =+

. (4.6)

1
= 1,1;
2
= 0,9
Giải phơng trình trên ta đợc:
()
[]
() ()
()
(
)
1q.q
cosqqcosBqsinAb
qsin
q.

v
qcosXqcos1aX
2
3
2
3
333333
33
3
2
332333

++
+
+

++=
(4.7)
Trong đó:
Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng
Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao
44

(
)
2
3
0
0
nn

n
02
2,13
3
l
P
P
h
XHk
G
g.P.f
g.
4
k
1b
a







+

+
=




01
310
3
V.G
f.f.R.g.n.P
b
=










+=


h
k

.
P
P
f
V
f.n
G
g.P
l
n
0
0
2
01
2
10
2
3
.


=
3
3
l
q


33333333
qcossinqsincosqA

=

33333333
qsinsinqcoscosqB


+


=
Tốc độ đầu búa và gia tốc đầu búa đợc tính:


()
(
)(
()
()
)
1qw
asinaqcosBaqcosAb
qcosvqsinq.Xav
2
3
33333

33233323

+
+

+




+=

()
(
)()






+

+
+=
cos
q
1
qcosBqsinA
1q

q.b
sinq vqcos.qXaj
3
3333
2
3
33
33233
22
323

áp suất không khí trong buồng trên của xilanh nén:

()
n
4m202
4m2
02
0k2
S.fH.fV
S.fH.fV
PP

+
+
=



Trong đó S

là đờng đi của piston nén tại thời điểm đóng rãnh thông giữa các
buồng trên của 2 xilanh.
áp suất buồng dới 2 xilanh vẫn tính theo công thức:

[]
n
3101
n
01
0
1
f.Sf.XV
V.p
P
+
=


đ/ Hành trình đoạn 4 của đầu búa
4

5

Phơng trình chuyển động của đầu búa tơng tự nh đoạn 2:

()
2
2
22212011
d
t
xd
MG.P.fffPP.f =+

Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng
Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao
45
Giải phơng trình nhận đợc:
()
[]
() ()
()
(
)
1q.q
cosqqcosBqsinAb
qsin
q.
v
qcosXqcos1aX
2
4
2

4
444444
44
4
3
443444

++
+
+

++=
(2.8)
Trong đó:

2
4
02
24
4
l
G
R.P.f
g.
4
k
1b
a

+
=










+=
02
42
01
31
01
0
4
V
f.f
V
f.f

V.G
.R.g.n.P
b










+=
02
2
01
2
10
2
4
V
f
V
f
G
n.g.P
l

=
4
4
l
q


44444444
qcossinqsincosqA





= .
44444444
qsinsinqcoscosqB


+


= .
X
3
= X

3
; v

3
= v

3
Tốc độ đầu búa đợc tính:
()
(
)(
()
()
)
1qw
asinaqcosBaqcosAb
qcosvqsinq.Xav
2
4
44444
44344434

+
+

+




+=

Khi thiết kế phải tính sao cho q > 0,9. Vì bài toán phức tạp nên chỉ ra hớng

thay đổi các thông số:
()
(
)
(
)






+

+
+=
cos
q
1
qcosBqsinA
1q
q.b
sinq vqcos.qXaj
4
4444
2
4
44
44344
22

434

Nếu vẽ đồ thị biểu diễn hành trình của piston nén và piston công tác theo góc
quay của trục khuỷu ta đợc đồ thị có dạng hình 4.5a còn vận tốc của đầu búa cũng
theo góc quay có dạng nh hình 4.5b.





Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng
Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao
46

H
ình 4.5
b
/
a
/

1

b

5

1

0

0
360
0
180
0
0
0
V
0
0
X
S
S,X

Chú ý: Khi
i
= tức là q
i
= 1 thì có cộng hởng. Lúc đó các phần cuối cùng
của x, y, j có dạng 0/0. Vì vậy phải dùng quy tắc lopitan để tìm x, v, j. Tuy vậy khi làm
việc chiều cao vật rèn và góc
1
tăng lên. Vì vậy
1
= chỉ phát sinh trong một thời
điểm nào đó. Còn tại các thời điểm còn lại
i
nên không có cộng hởng mà nếu có
cộng hởng thì do có buồng đệm và vật rèn nên máy vẫn làm việc bình thờng (P

= 7
at). Khi tính toán ta phân tích điều kiện cộng hởng để có thể nhận đợc biên độ dao
động lớn nhất tức là có tốc độ va đập lớn nhất. Tuy nhiên hiện tợng cộng hởng chỉ
có khi h bằng chiều cao vật chọn để tính toán, ta có:
V
01
= [4af
1
+ f
3
(2r + b
M
)].1,09 + f
1

.h
V
02
= [f
2
.H + b
b
.f
H
].1,04 - f
2
.h
A = 25 mm; b = b
H
= 5 mm.
Trong đó: a - khoảng cách từ mép dới piston công tác đến nắp dới xilanh;
H - hành trình lắp ráp; h - chiều cao vật rèn

a
- chiều cao khoảng trống có hại dới xilanh công tác;
b
b
, b
H
- chiều cao khoảng trống có hại trên và dới xilanh nén.
Trong các công thức xác định vận tốc đầu búa ta thấy các hệ số q, b, , a. Các
hệ số này phụ thuộc vào chiều cao thông số của máy búa R,
1
,
2

,
3
,
4
chiều cao
của vật rèn h. Khi va đập h thay đổi, vì vậy còn chọn các thông số sao cho tốc độ va
đập lớn nhất.

4.1.4. Giản đồ chỉ dẫn, công và hiệu suất của máy búa
a/ Giản đồ chỉ dẫn
Biểu diễn sự thay đổi áp suất của các buồng trên và dới theo hành trình của
piston nén và hành trình của đầu búa (H.2.6), ta vẽ đợc các đờng cong áp suất phụ
thuộc vào các trị số góc quay của trục khuỷu căn cứ vào công thức tính áp suất P
1
,
P
2
.
Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng
Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao
47

0

1,0

2,0

2,0

1,0

á
p
suất khí trời
á
p
suất khí trời
á
p
suất khí trời
á
p
suất khí trời
Xilanh côn
g
tác
Xilanh nén
S, cm
0
Dới
Dới
Dới
Dới
0

Trên
Trên
Trên

= 0
1,0

5

4

3

1
X, cm

1

1

1
P
2

2
Đóng
Buồng
đệm

Mở

buồng đệm

4

b
Trên
2,0
1
,
0
0
2,0

3
P
2
P
1
P
1

Hình 2.6- Giản đồ chỉ dẫn


áp suất không khí P
1
ở các buồng dới của 2 xilanh tơng ứng bằng nhau nếu
bỏ qua sự rò van tiết lu không khí trong rãnh nối.
áp suất của không khí P
2
nh nhau đối với cả 2 xilanh trớc khi đóng buồng
đệm. Sau khi đóng buồng đệm, áp suất của không khí trong buồng trên của xilanh nén
khi góc quay =
3
ữ
4
thay đổi theo biểu thức:

()
n
4m202
4m2
02
0k2
S.fH.fV
S.fH.fV

PP








+
+
=



Trong đó S

- hành trình của piston nén tại lúc đóng buồng đệm;
S - giá trị tức thời của hành trình piston nén sau khi đóng buồng đệm;
Giản đồ chỉ dẫn đặc trng cho công của không khí trong các xilanh máy búa.
Chỉ số công chỉ dẫn của không khí trên và dới đợc xác định theo giản đồ này.
b/ Công và hiệu suất của máy búa
Năng lợng điện cung cấp của động cơ điện đợc biến đổi liên tục thành cơ
năng của động cơ thành công chỉ dẫn của không khí trong xilanh công tác và trong
xilanh nén, thành công cơ học nâng bộ phận rơi và năng lợng đập có ích L
E
.
Sau một hành trình kép, không khí trong xilanh công tác thực hiện một công chỉ
dẫn A
ip

. Công đo đợc xác định theo công thức: A
ip
= A
ipH
+ A
ipb
Trong đó, A
ipH
, A
ipb
là công chỉ dẫn của không khí dới và trên trong 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 chỉ dẫn.
Công chỉ dẫn của không khí A
ip
tiêu tốn để tạo ra năng lợng có ích và thắng
ma sát: A
ip
= L
E
+ 2.G.H
Trong đó, - hệ số mất mát do ma sát; G - trọng lợng rơi; H - hành trình búa.

M
= L
E
/A
n

=
MP
.
MK
.
oi
0,55 ữ 0,65
Nếu nh tính toán đến tất cả các năng lợng mất mát trong động cơ điện, hộp
giảm tốc, mạng điện máy phát và hiệu suất va đập ta sẽ có hiệu suất kinh tế của thiết bị
máy búa. Hiệu suất này phụ thuộc vào điều kiện chế tạo và trạng thái làm việc và bằng
0,03 ữ 0,06.
4.1.5. Xilanh và piston máy búa
Xilanh là một trong những chi tiết quan trọng nhất của máy búa. Hiện nay
thờng dùng hai dạng xilanh nguyên và xilanh có đáy hở.
Xilanh có đáy hở gia công dể hơn vì có dạng một ống rỗng, nên rất dể tiện và
doa. Giữa xilanh và thân máy có đặt tấm đệm. Xilanh búa thờng đúc bằng gang có
chiều dày phải tính đến lợng kim loại bị mài mòn có thể đem doa lại không quá 3 lần
mỗi lần là 5 mm.
Xilanh búa dập chế tạo bằng đúc thép cácbon mềm (C30) bên trong xilanh búa
có bạc lót làm bằng gang GX28-48. Chiều dày xilanh = 0,1D (nếu làm bằng thép) , đối
với máy búa nhỏ thì = 0,2D. Chiều dày bạc xilanh = 0,05D. Trong quá trình làm việc,
bạc xilanh có thể bị vỡ do piston va đập. Để xác định đờng kính xilanh máy búa tác
dụng kép có thể dùng công thức thực nghiệm sau:

()
G53p.
4
D
2
n

ữ=


Trong đó: D
n
- đờng kính piston (cm); p - áp suất hơi ở đồng hồ đo (at)
G - khối lợng phần rơi (kg)
Từ đó:
(
)
()
p
G
5,295,1
p.
G534
D
n
ữ=

ữ
=

nếu p = 6 at thì D
n
= (0,8 ữ 1,03) G .
Giữa piston và xilanh là xécmăng. Số lợng xécmăng thờng từ 2 ữ 4 chiếc và
đợc chế tạo bằng thép (C35; C40).
b
Vì có tính đàn hồi của xécmăng nên

piston và thành xilanh giữ đợc độ khít, ngăn
cản hơi lu thông giữa buồng trên và buồng
dới. Thời gian làm việc của xécmăng từ 6 đến
12 tháng. Xécmăng sử dụng 2 loại (Hình 4.7).
Loại b tốt vì kín hơn nhng chế tạo lại khó
hơn.
a

Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng
Gi¸o tr×nh: C«ng nghÖ t¹o ph«i n©ng cao
49
ChiÒu cao piston: h
n
= (1 ÷ 0,8)d
d - ®−êng kÝnh piston
§−êng kÝnh piston th−êng nhá h¬n
®−êng kÝnh xilanh (1 ÷ 2,5) mm. Piston lµ chi
tiÕt cã khèi l−îng G
n
≤ 0,05G
H
Piston chÕ t¹o
b»ng thÐp 45, 50 (H×nh 4.8).

Tr−êng ®¹i häc B¸ch khoa - §¹i häc §µ n½ng
Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao
50
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 tấn. Máy này có loại hành trình đầu
con trợt cố định gọi là máy có hành trình cứng; có loại đầu con trợt có thể điều chỉnh
đợc gọi là hành trình mềm. Nhìn chung các máy lớn đều có hành trình mềm. Trên
máy ép cơ khí có thể làm đợc các công việc khác nhau: rèn trong khuôn hở, ép phôi,
đột lỗ, cắt bavia v.v Sơ đồ nguyên lý đợc trình bày trên hình sau:
Nguyên lý làm việc: Động cơ (1) qua bộ truyền đai (2) truyền chuyển động cho
trục (3), bánh răng (4) ăn khớp với bánh răng (7) lắp lồng không trên 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 hiện chu

trình dập. Đe dới (10) lắp trên bệ nghiêng có
thể điều chỉnh đợc vị trí ăn khớp của khuôn trên
và khuôn dới.
Đặc điểm của máy ép trục khuỷu:
chuyển động của đầu trợt êm hơn máy búa,
năng suất cao, tổn hao năng lợng ít, nhng có
nhợc điểm là phạm vi điều chỉnh hành trình bé,
đòi hỏi tính toán phôi chính xác và phải làm sạch
phôi kỹ trớc khi dập.
4.2.2. Động học của cơ cấu tay biên-trục khuỷu
9
8
7
5
6
10
4
3 2
1
Khi thiết kế máy ép trục khuỷu ta cần xác định các thông số động học (quy luật
thay đổi hành trình, tốc độ và gia tốc của đầu trợt), xác định các trị số động học đó
trong suốt hành trình công tác. Hầu hết các máy ép trục khuỷu đều có cơ cấu tay biên-
trục khuỷu. Ta cần xem xét động học của cơ cấu này.
a/Trờng hợp đồng trục
H
min
, H
max
: chiều cao khép kín nhỏ nhất
và lớn nhất của máy.

S - hành trình toàn bộ của máy.
S

- hành trình tức thời của máy tơng
ứng với góc quay .
- góc quay của trục khuỷu tính từ
đờng trục tới bán kính khuỷu.
L + R

M
0
R

A
L
B
2


B
1
S
H
Max
L - R
S


Bàn má
y

H
Min
H
4.9- Phân tích động học cơ cấu tay biên-trục khuỷu
- góc kẹp giữa biên và đờng trục.
R, L - bán kính khuỷu, chiều dài biên
- vận tốc góc của trục khuỷu
Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng
Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao
51
K - hệ số tay biên K = R/L
B
1
, B
2
- điểm chết trên, dới của máy
n Hành trình của đầu trợt
Từ hình 2.9: S

= R + L - Rcos - Lcos
= R(1 - cos) + L(1 - cos) (1)
AM = Rsin = Lsin sin = (Rsin)/L
()()
()
=
==
2cos1K
4
1
1sinK

2
1
1
sinK1sin1cos
222
2
1
22
2
1
2

Từ (1) ta có:

()() ()
()
()






+=

+=






+=


2cos1
4
K
cos1RS
2cos1
4
K
.
K
1
cos1Rcos1
R
L
cos1RS
2

o Tốc độ đầu trợt:
()()

dt
d
2cos1
4
K
cos1R
d
d
dt
dS
V







+

==



mà
=

dt
d
. Giả thiết rằng, = const

Vậy,






+=

2sin
2
K
sinRV (2)
p Gia tốc của đầu trợt:

[
+===


2cosKcosR
dt
dv
dt
Sd
J
2
2
]
(3)

q Xác định góc khi biết S

:
Nếu biết trị số hành trình S

, trong thực tế tính toán ngời ta tìm trị số góc
nh sau:
Từ công thức:
()()






+=

cos1
K
1
cos1RS
Thay:
=
22
sinK1cos vào công thức trên, ta đợc:

+=

22
sinK11
K
1
cos1RS
Đặt C = S

/R vào phơng trình trên ta đợc cos:

Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng
Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao
52

()

+






++
=
K
1
C12
K
1
1C12C
cos
2
(4)
Công thức trên đợc gọi là công thức Xtôrôgiép.

S
R

1,6

K = 0,1

K = 0,2

0,8

0,4
0
- 0,4
- 0,8
R
J
2

K = 0,1
K = 0,2
K = 0,3
K = 0,4
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330

0
R
J
2

0
1,2
K = 0,3
K = 0,4
0,8
0,4
S
R
= S/R
R
V

0,8
0,4
0
- 0,4
K = 0,1
K = 0,2
K = 0,3
K = 0,4
R
V

- 0,8
H
.4.10- Đồ th
ị

S

,
V

,
J

Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng
Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao
53
Vẽ đồ thị biểu diễn S

, V

, J

hay S

/R, V

/R, J

/
2
R phụ thuộc vào góc quay
ta đợc dạng đồ thị nh hình 4.10. Từ đó ta thấy rằng, hành trình và tốc độ của đầu
trợt ít chịu ảnh hởng của hệ số tay biên K, còn gia tốc chịu ảnh hởng nhiều của hệ
số K. Hệ số K cũng ảnh hởng đến lực, làm thay đổi chế độ lực tác dụng lên máy và
ảnh hởng đến kích thớc (ngang và dọc) của máy. Vì thế đối với các loại máy khác
nhau, giá trị cũng khác nhau.
b/Trờng hợp không đồng trục
Từ hình 4.11 ta thấy rõ rằng:
Hành trình của đầu trợt:

() ()
++=

cosLcosReLRS
2
2

L

B
1
S
e
B
H
A


R
0
Ký hiệu: K = R/L; e = e/R (e là hệ số lệch
trục).
Cũng chú ý rằng:
sin = Ksin + eK (5)

()
()
2
2
2
'esin
2
K
1
K'esinK1cos
+
+=

Hình 4.11- Trờng hợp
không đồng trục
Ta có:
() ()
()
LR2
e
LR
LR
e
1LReLR
2
2
2
2
+
+






+
+=+

Thực tế các giá trị K và e nhỏ, vì vậy ta có đợc:

()

()








+
+++=

K1
K'.e
2
1
sin'.e.K2cos1
4
K
cos1RS
2
(6)
Trong các công thức này, e và e có dấu + khi vị trí của điểm B ở bên phải
đờng trục thẳng đứng từ điểm O. Còn e và có dấu - khi B ở bên trái đờng trục đó.
Hệ số K = 0,05 ữ 0,45 (thờng K < 0,25) còn e = 0 ữ 1,3 (thờng lấy e < 0,5). Khi đó
sai số của S

không vợt quá 8 ữ 10%.
Tơng tự nh với cơ cấu đồng tâm, ta có tốc độ của đầu trợt (sai số < 6%).

++=

cosK'.e2sin
2
K
sinRV (7)
Gia tốc của đầu trợt (sai số nhỏ hơn 8%):
J

= R
2
(cos + Kcos - e.Ksin) (8)
Góc quay (khi < 30
0
) có thể tính theo công thức gần đúng sau:

()
RK1
S2
K1
K'.e
+

+

(9)
Đối với những cơ cấu có nhiều khâu, việc thiết lập các 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 và rất phức tạp. Vì vậy thờng xây dựng đồ thị S

bằng cách vẽ tại nhiều vị trí của
đầu trợt. Còn đồ thị V

, J

có đợc bằng cách vi phân đồ thị S

. Ngày nay với các
phần mềm có khả năng mô phỏng động học nh Solid Work, CATIA, Solid Edge,
ngời ta dễ dàng xác định đợc các đồ thị S

, V

, J

sau khi đã xây dựng mô hình ba
chiều của kết cấu máy. Lúc đó chỉ cần cho khâu dẫn - trục khuỷu quay theo qui luật
xác định trớc.
4.2.3. Tĩnh học của cơ cấu tay biên-trục khuỷu
Lực quán tính của cơ cấu chấp hành biên - trục khuỷu rất nhỏ và có thể bỏ qua
đợc. Đối với mayeps tự động, theo Hapo . A, lực quán tính của các máy cỡ
trung bình và cỡ lớn cũng không vợt quá 10% lực ép danh nghĩa, còn đối với máy ép
thông dụng có số hành trình nhỏ h[n nhiều so với máy ép tự động nên lực quán tính
còn nhỏ hơn. Vì thế trong phần này ta chỉ xét đến tĩnh học của các cơ cấu.
Khi tính toán các lực tĩnh tác dụng lên các khâu của các cơ cấu cần phải đặc
biệt chú ý đến tác dụng của lực ma sát. Lực tác dụng lên đầu trợt của máy ép thờng
lớn, tạo cho các khớp nối cũng phải có kích thớc lớn. Vì vậy bỏ qua ma sát ở các
khớp nối khi tính toán sẽ dẫn tới sai số đáng kể và đôi khi không thể chính xác, ví dụ
nh khi tính đến qúa trình kẹt máy.
Việc xác định các lực tác dụng lên cơ cấu cũng nh khi tính toán động học của
cơ cấu ấy có thể bằng phơng pháp đồ thị hoặc giải tích đồ thị.
Để tính độ bền các chi tiết, bộ phận máy (cũng nh tính năng lợng) cần biết:
- Các lực thực tế tác dụng lên các thanh, dầm của máy bao gồm:
+ Trở lực có ích (lực công nghệ).
+ Trọng lợng bản thân của cơ cấu.
+ Lực ma sát ở các khớp nối.
+ Lực quán tính.
Trong 4 lực này chỉ cần chú ý đến trở lực có ích và lực ma sát và khi tính
toán các cơ cấu phụ mà trở lực có ích không lớn lắm hoặc tính máy có hành trình quá
lớn thì lực quán tính mới đợc xét đến.
- Các phản lực ở ổ, khớp nối các thanh, dầm của máy.
- Mômen xoắn mà những thanh, dầm chính chịu tác dụng.
Trong phạm vi giáo trình này, ta không đi sâu để xét cụ thể các loại cơ cấu mà
chỉ xét đến tĩnh học của cơ cấu biên - trục khuỷu trong trờng hợp lý tởng (không
tính đến ma sát) và thực tế (có ma sát). Dạng cơ cấu biên - trục khuỷu lệch tâm tổng

quát hơn loại đồng tâm.
a/Trờng hợp lý tởng
Ta coi rằng kích thớc của các cơ cấu đã biết ở mỗi vị trí của trục khuỷu tơng
ứng với góc quay . Lực đã cho P
D
tác dụng lên đầu trợt đợc xác định bằng trở lực
có ích hoặc bằng trị số lực ép danh nghĩa của máy khi tính toán máy ép.
Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng
Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao
55

ABHD
PPP =+
0
R

m
K
L

B
P
D
P
Hn
P
AB


u

AB
P
u
Hn
P



P
D
f.r
B
C
f.r
A
A
f.r
A


với,
H
P : lực tác dụng lên thanh dẫn hớng.

AB
P : lực tác dụng dọc theo biên.
Chỉ số u tơng ứng với lực trong
trờng hợp lý tởng.
Từ hình 4.12 thấy rằng:

=

= tg.PP;
cos
P
P
D
u
H
D
u
AB

Bởi vì: sin = K(sin + e), ta có:

()
()
()
2
2
D
u
H
2
2
D
u
AB
'esinK1
'esinK.P

P
;
'esinK1
P
P
+
+
=
+
=

Hình 4.12- Tĩnh học của
cơ cấu biên - trục khuỷu
ở đây cũng nh với tính toán động học, khi giá trị K, e nhỏ và sin 1 ta đợc
các công thức gần đúng sau:

(
)
esinK.PP;PP
DHD
u
AB
+
Để xác định mômen xoắn tác dụng lên trục khuỷu M
u
k
ta sử dụng phơng trình
công nguyên tố:

==
d
ds
PMlàhayds.PdM
D
u
kD
u
k

Thay vào công thức sau này, giá trị ds/d từ công thức (7) ta có:







++= cos'e.K2sin
2
K
sinR.PM
D
u
k
(10)
Đại lợng

++ cos'Ke2sin
2
K
sinR
trong công thức (10) gọi là cánh tay
đòn mômen xoắn trong trờng hợp lý tởng m
u
k
;
m
u
k
cũng có thể tìm đợc bằng cách tính toán hình học theo hình 4.13.







++= cos'Ke2sin
2
K
sinRm
u
k
(11)

Từ (11) thấy rõ rằng:


=
V
m
u
k
(tốc độ dài/tốc độ góc)



Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng
Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao
56
b/Trờng hợp thực tế
Theo Nguyên lý máy, do mômen ma sát ở
khớp nối của biên, lực tác dụng lên biên P
AB
sẽ
không hớng theo trục tâm mà sẽ hớng theo tiếp
tuyến chung của 2 vòng tròn ma sát của đầu lớn
và đầu nhỏ của biên (hình 4.12).
Ta ký hiệu:
r
0
: bán kính ở ổ tựa của trục khuỷu.
r
A
: bán kính ngõng khuỷu (ngõng lắp biên).

r
B
: bán kính khớp nối biên với đầu trợt.
à: hệ số ma sát r khớp nối và thanh dẫn hớng.
: góc ma sát, tg = à.

A
,
B
: bán kính vòng tròn ma sát ở đầu lớn và nhỏ của biên (
A
= à.r
A
,
B
= à.r
B
).
L


e
B
Hình.4.13- Tĩnh học cơ cấu
biên - trục khuỷu có ma sát
A


R
0

: góc kẹp giữa biên vàđờng tiếp tuyến giữa hai vòng tròn ma sát.
Nếu phân tích sự cân bằng của điểm A và B ta sẽ 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 của các vòng tròn ma sát
tại A và B rồi hạ đờng vuông góc AC từ tâm A với đờng thẳng ấy. Rõ ràng là trong
ABC có:
(
)
LAB;rrfCA;AB

C
BA
=+==
Do đó,
()
L
rrf
sin
BA
+
=
Từ tam giác lực, theo định lý hàm số sin, ta có:

()
()
[]
()
++

=

++
=
+
cos
cos
PP
90sin
P
90sin
P
DAB
0
D
0
AB

Góc thờng < 5
0
40 (khi f = 0,1); = 3
0
; < 10
0
khi đủ nhỏ (< 30
0
) và với
các giá trị k, thông thờng k < 0,25. Khi đó, tỷ lệ
()
06,1
cos
cos

<
++

và ta có thể coi
P
AB
= P
D
mà sai số không lớn (< 6%).
Cũng từ tam giác lực ta rút ra lực tác dụng lên bộ phận dẫn hớng:

(
)
()
++

+

=
cos
sin
P'P
DHn

Thành phần lực ngang của lực P
Hn
:

(
)

()
++


+

==
cos
cossin
Pcos.'PP
DHnHn

Thành phần lực ngang đó có thể tính theo công thức gần đúng sau (khi k 0,25;
30
0
; sai số của P
Hn
< 3%):
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)
2
r
A
2
r
0
2
r
0II
b)
2
r

0I
2
r
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).
H
ình 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.
H
ình 4.15- Các cánh ta
y
đòn ma sát.


Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng