Thiết kế và mô phỏng máy cắt thép tấm

Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Và Mô Phỏng Máy Cắt Thép Tấm
PHẦN I: TỔNG QUAN
I. CÁC SẢN PHẨM TỪ THÉP TẤM VÀ NHU CẦU SỬ DỤNG
Ngày nay khi nhu cầu về đời sống của con người càng được nâng cao thì nền kinh
tế cần phải kịp thời đáp ứng đầy đủ những nhu cầu đó. Trong đó ngành công nghiệp,
mà đặc biệt là công nghiệp cơ khí nắm vai trò chủ yếu trong việc tạo ra sản phẩm. Ở
một khía cạnh khác, thì ngành công nghiệp tạo phôi lại đóng một vai trò chủ chốt, là
khâu cơ bản đầu tiên trong quy trình sản xuất cơ khí. Hơn nữa, một số phương pháp
tạo phôi như cán, kéo, cắt kim loại là không thể thiếu góp phần tạo ra các sản phẩm,
vật dụng cho các ngành công nghiệp khác như: Công nghiệp hàng không, công nghiệp
điện, công nghiệp ôtô, đóng tàu thuyền, xây dựng, nông nghiệp
Thép tấm hầu như được sử dụng rất nhiều trong các nghành công nghiệp kể trên.
Thép tấm được tạo thành từ quá trình cán kim loại, kim loại bị biến dạng giữa 2 trục
cán quay ngược chiều nhau, có khe hở giữa 2 trục cán nhỏ hơn chiều dày của phôi ban
đầu. Kết quả làm chiều dày phôi giảm, chiều dài và chiều rộng tăng lên, tạo thành dạng
tấm hay ta còn gọi là
thép tấm. Người ta
thường dung máy cán 2
trục, 4 trục, 6 trục, 12
trục…để cán tấm. Máy
cán càng có nhiều trục
thì độ dày sản phẩm
càng chính xác. Sản
phẩm tấm luôn có tiết
diện hình chữ nhật và
có chiều dài lớn nên
sản phẩm của chúng
thường ở dạng cuộn để
vận chuyển.
Hình 1.1. Sản phẩm thép tấm được cuộn lại
Cán thép tấm có thể tiến hành ở trạng thái nóng hoặc trạng thái nguội, ở mỗi loại nó có

các ưu điểm và nhược điểm khác nhau. Cán ở trạng thái nóng cho ta những sản phẩm
có độ dày từ 1,5mm đến 60mm, còn ở trạng thái nguội cho ra sản phẩm mỏng và cực
mỏng độ dày từ 0,007mm đến 1,25mm. Các sản phẩm thép tấm được phân loại theo độ
dày của tấm thép:
+ Thép tấm mỏng: Chiều dày: S = 0,2
÷
3,75 mm.
Chiều rộng: b = 600
÷
2.200 mm.
+ Thép tấm dày : S = 4
÷
60 mm; b = 600
÷
5.000 mm.
L = 4.000
÷
12.000 mm.
SVTH: Phan Đình Hồng – Lớp 08C1D Trang 1
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Và Mô Phỏng Máy Cắt Thép Tấm
+ Thép tấm rất mỏng (thép lá cuộn): S = 0,001
÷
0,2 mm; b = 200
÷
1.500 mm.
L = 4.000
÷
60.000 mm.
Từ sự phân loại đó ta có các dạng phôi của thép tấm khác nhau như: dạng phôi
tấm hay dạng phôi cuộn, phôi dải.

Hình dạng và kích thướt của phôi tấm tạo ra trong quá trình cán được tiêu chuẩn
hoá, do đó việc sử dụng thép tấm để tạo ra các sản phẩm như: thùng, sàn xe ôtô,
khung, sườn xe máy, các thiết bị nghành điện, các kết câu trong nghành xây dựng như
cầu, nhà cửa, hoặc sử dụng trong chính nghành cơ khí chế tạo, nghành tàu thuyền
phải qua quá quá trình cắt thép tấm ra các kích thước và hình dạng khác nhau phù hợp
với yêu cầu của từng nghành, từng công việc cụ thể:
- Trong nghành điện: Thép tấm được dùng để tạo ra các sản phẩm như là thép
trong stato của máy bơm nước hay quạt điện, thép tấm được dùng làm các cánh quạt
cỡ lớn, các thép tấm mỏng dùng làm các lá thép để ghép lại trong các chấn lưu đèn
ống, máy biến thế, trong lĩnh vực điện chiếu sáng nó được dùng làm các cột điện
đường
SVTH: Phan Đình Hồng – Lớp 08C1D Trang 2
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Và Mô Phỏng Máy Cắt Thép Tấm

Hình 1.2. Sản phẩm thép tấm trong ngành điện
- Trong xây dựng: các thép hình cỡ lớn trong các dầm cầu được tạo thành từ các
tấm thép tấm dày cắt nhỏ, hay thép tấm được dùng để liên kết với nhau có thể
bằng mối hàn, bulông hoặc đinh tán để tạo nên các kết cấu thép bền vững. Rõ
ràng nhất thép tấm được sử dụng làm tấm lợp…
Hình 1.3. Sản phẩm thép tấm trong xây dựng
- Trong nghành cơ khí: Thép tấm được sử dụng trong các thân máy của các máy cắt
kim loại, vỏ hộp giảm tốc bằng kết cấu hàn, khung, sườn xe, máy,

Đường ống thủy điện. Vỏ máy ép bemco.
Hình 1.4. Sản phẩm thép tấm trong cơ khí.
SVTH: Phan Đình Hồng – Lớp 08C1D Trang 3
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Và Mô Phỏng Máy Cắt Thép Tấm
- Trong nghành cơ khí ôtô:
Việc sử dụng thép tấm
không thể thiếu được. Nó

được sử dung làm khung,
sườn, gầm ôtô, lót sàn ôtô,
che kín thùng xe, và các bộ
phận che chắn khác.
- Trong chế biến thực
phẩm: Thép tấm được sử
dung rộng rãi không kém,
nó được dùng để chế tạo
các thùng chứa, bể chứa,
hộp đóng gói,
- Trong các nghành nghề khác: Thép tấm dùng để chế tạo ra các thùng đồ dùng
dân dụng phục vụ đời sống hay trong nghành hàng không thép tấm được dùng để che
chắn, làm cửa máy bay, nắp đậy thân máy bay, tên lửa,
Với nhu cầu sử dụng thép tấm rộng lớn như vậy, cần thiết phải có những máy cắt
thép tấm với năng suất cao, với độ chính xác cao, được điều khiển tự động hoặc bán
tự động đủ khả năng để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của nền công nghiệp nói
riêng cũng như nền kinh tế nói chung, góp phần vào sự nghiệp công nghiệp hoá hiện
đại hóa đất nước.
SVTH: Phan Đình Hồng – Lớp 08C1D Trang 4
Hình 1.5. Vỏ ôtô được làm từ thép tấm
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Và Mô Phỏng Máy Cắt Thép Tấm
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CẮT THÉP TẤM
A. Các đặc điểm kỹ thuật của sản phẩm:
Sản phẩm thép tấm hết sức đa dạng, song hầu hết sản phẩm sau khi cắt mới chỉ là
bán thành phẩm phục vụ cho một quá trình công nghệ. Để thuận lợi cho các công
đoạn sản xuất tiếp theo cũng như đảm bảo chất lượng của thiết bị khi hoàn thành,
tấm thép cắt ra phải đảm bảo một số yêu cầu sau:
+ Mép cắt phải trơn, thẳng
+ Sự biến dạng nằm trong giới hạn cho phép
+ Đảm bảo đúng yêu cầu về kích thước

B. Cơ sở lý thuyết của quá trình cắt thép tấm:
1. Biến dạng dẻo kim loại:
Dưới tác dụng của ngoại lực kim loại biến dạng theo các giai đoạn : biến dạng
đàn hồi, biến dạng dẻo và phá huỷ .
Tuỳ theo cấu trúc tinh thể của mỗi kim loại, các giai đoạn trên có thể xảy ra ở
các mức độ khác nhau dưới tác dụng của ngoại lực và tải trọng
Biểu đồ biến dạng khi thí nghiệm kéo đứt kim loại như sau:
SVTH: Phan Đình Hồng – Lớp 08C1D Trang 5
Pd
Δdh
Pđh
Δd
P
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Và Mô Phỏng Máy Cắt Thép Tấm
Hình 2.1- Biểu đồ quan hệ giữa lực kéo P và độ biến dạng dài tuyệt đối
∆
l
- Khi tải trọng tác dụng nhỏ hơn P
đh
thì biến dạng kim loại tăng theo đường
bậc nhất, đây là giai đoạn biến dạng đàn hồi :biến dạng mất đi sau khi khử bỏ tải
trọng.
-Khi tải trọng từ P
dh
→ P
d
thì độ biến dạng tăng với tốc độ nhanh, đây là giai
đoạn biến dạng dẻo, kim loại bị biến đổi kích thước, hình dạng sau bỏ tải trọng tác
dụng lên nó .
-Khi tải trọng đạt đến giá trị lớn nhất thì trong kim loại bắt đầu xuất hiện vết

nứt, tại đó ứng suất tăng nhanh và kích thướt vết nứt tăng lên, cuối cùng kim loại bị
phá huỷ . Đó là giai đoạn phá huỷ : tinh thể kim loại bị đứt rời .
Trong kim loại đơn tinh thể các nguyên tử kim loại sắp xếp theo một trật tự
xác định, mỗi nguyên tử luôn dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó (Hình 2.2-
a)
SVTH: Phan Đình Hồng – Lớp 08C1D Trang 6
Δl ( độ biến dạng)
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Và Mô Phỏng Máy Cắt Thép Tấm
b)
c)
d)
τ
τ
τ
τ
τ
τ
a)
Hình 2.2- Sơ đồ biến dạng trong đơn tinh thể kim loại
Dưới tác dụng của ngoại lực hay cắt kim loại bằng áp lực, mạng tinh thể bị
biến dạng . Khi lực tác dụng nhỏ, ứng suất sinh ra trong kim loại chưa vượt quá giới
hạn đàn hồi, các nguyên tử kim loại dịch chuyển không quá một thông số mạng , nếu
thôi tác dụng lực thì mạng tinh thể lại trở về trạng thái ban đầu (Hình 2.2-b).
Khi ứng suất sinh ra trong kim loại vượt quá giới hạn đàn hồi thì kim loại bị
biến dạng dẻo do trượt và song tinh .
Theo hình thức trượt, một phần đơn tinh thể dịch chuyển song song với phần
còn lại theo một mặt phẳng nhất định, mặt phẳng này gọi là mặt trượt .
Theo hình thức song tinh, một phần tinh thể vừa trượt, vừa quay đến một vị trí
mới đối xứng với phần còn lại qua một mặt phẳng gọi là mặt song tinh. Các nguyên
tử kim loại trên mỗi mặt di chuyển một khoảng tỷ lệ với khoảng cách đến mặt song

tinh .
Các lý thuyết và thực nghiệm cho thấy trượt là hình thức chủ yếu gây ra biến
dạng dẻo trong kim loại khi lực tác dụng lên nó sinh ra ứng suất lớn hơn giới hạn đàn
hồi nhưng chưa vượt ứng suất phá huỷ hay ứng suất giới hạn bền của vật liệu . Đây
SVTH: Phan Đình Hồng – Lớp 08C1D Trang 7
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Và Mô Phỏng Máy Cắt Thép Tấm
là giai đoạn thứ hai của quá trình cắt kim loại, giai đoạn này xảy ra trước quá trình
kim loại bị phá huỷ hay quá trình kim loại bị cắt đứt .
Trong quá trình biến dạng dẻo kim loại vì ảnh hưởng của các nhân tố như : nhiệt
độ không đều, tổ chức kim loại không đều, lực biến dạng phân bố không đều, ma sát
ngoài vv đều làm cho kim loại sinh ra ứng suất dư , bên trong bất cứ kim loại biến
dạng dẻo nào cũng đều sinh ra ứng suất dư, sau khi thôi tác dụng ứng suất dư vẫn
còn tồn tại .
2.Sự thay đổi tính chất của thép tấm trong quá trình gia công:
Khi cắt tính chất của thép tấm bị thay đổi. Sở dĩ như vậy là trong quá trình cắt
biến dạng dẻo nguội làm cấu trúc tinh thể thay đổi: mật độ khuyết tật tăng lên mạnh
mẽ dẫn tới độ bền kim loại tăng lên, kích thước và hình dạng các hạt kim lọai cũng
như hướng của trục tinh thể thay đổi làm phát sinh ứng suất dư và xuất hiện những
mặt trượt kích thích quá trình hóa già của kim loại.
a)Sự hóa già do biến dạng:
Hệ quả của sự hóa già kim loại là giảm tính dẻo (độ giãn dài tỷ đối giảm) và
nâng cao tính bền của kim lọai (trở lực biến dạng, giới hạn chảy và độ cứng tăng).Sự
hóa già biến dạng xảy ra không đồng đều, trước tiên nó làm tăng độ cứng của kim
loại tại các vùng có mật độ các nguyên tử nitơ và các bon cao, chủ yếu là ở mặt trượt,
tại đây đặc biệt có nhiều lệch
Đối với thép các bon thấp, sự hóa già do biến dạng xảy ra mãnh liệt hơn sau
khi biến dạng dẻo nguội; cường độ của nó tỷ lệ thuận với mức độ biến dạng, nhiệt độ
môi trường xung quanh và thời gian.
b)Mặt trượt:
Mặt trượt là những dấu vết vật lý do biến dạng dẻo cục bộ gây ra. Mặt ttrượt

xuất hiện tại vùng gần mép cắt, làm giảm độ nhẵn bóng bề mặt. Sự xuất hiện các mặt
trượt có liên quan đến tính chất cơ học không đồng đều của phôi. Sự không đồng đều
này là do sự hóa già trong quá trình biến dạng gây ra. Trên vùng bề mặt này sau khi
cắt có thể quan sát thấy những phần lồi lõm tương ứng với các mặt trượt.
c)Sự phát sinh hiện tượng ăn mòn:
Trong quá trình xảy ra biến dạng dẻo nguội kim loại xảy ra sự hóa bền. Sự
hóa bền cùng với một số hiện tượng khác làm cho khả năng chống ăn mòn của kim
SVTH: Phan Đình Hồng – Lớp 08C1D Trang 8
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Và Mô Phỏng Máy Cắt Thép Tấm
loại giảm đi. Tuy vậy, do những điều kiện không giống nhau, sự thay đổi hình dạng
của các phôi kề nhau sau khi cắt sẽ phát sinh những ứng suất dư tế vi. Những ứng
suất dư này khi có sự ăn mòn sâu và các tinh thể sẽ làm suy yếu liên kết ở biên giới
giữa các hạt và có thể gây ra những mầm giòn tự phát của các sản phẩm kim loại
hoặc bán thành phẩm.
3.Nguyên lý biến dạng khi cắt:
Quá trình cắt được chia làm hai giai đoạn:
+ Giai đoạn ép vào kim loại: Hai lưỡi dao tỳ vào bề mặt kim loại làm xô lệch
các thớ kim loại nhưng chưa làm đứt chúng
+ Giai đoạn cắt : Hai lưỡi dao tiếp tục ép sát vào nhau làm các thớ kim loại bị
trượt và tách khỏi nhau
Để tìm hiểu nguyên lý biến dạng, ta khảo sát nguyên công cắt phôi và cắt
chia, nhằm xác định các thông số cần thiết cho việc tính toán công nghệ .
Trong quá trình tách một phần kim loại này ra khỏi phần kim loại khác có thể
chia thành các giai đoạn riêng biệt:
h
c)
b)
a)
Z
Z

Z
Hình 2.3- Các giai đoạn của quá trình cắt
Ở giai đoạn đầu của quá trình cắt biến dạng dẻo tập trung ở mép làm việc của
lưỡi cắt sau đó ổ biến dạng bao quanh lưỡi cắt ( H2.4-a)
Giai đoạn hai bắt đầu khi có sự chuyển dịch tương đối giữa phần này với phần
kia của tấm (H2.4-b) Ở giai đoạn này nó tạo ra bề mặt phẳng nhẵn, bóng và được san
phẳng bởi lực ma sát F hướng theo bề mặt bên của lưỡi dao
SVTH: Phan Đình Hồng – Lớp 08C1D Trang 9
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Và Mô Phỏng Máy Cắt Thép Tấm
Do sự tiến lại gần nhau của các lưỡi cắt, mức độ biến dạng tăng lên và khi đó
tính dẻo của kim loại bị mất đã bắt đầu giai đoạn 3. Các vết nứt xuất hiện, phát triển
và phá huỷ kim loại cho đến khi kết thúc quá trình tách phần vật liệu này ra khỏi
phần vật liệu khác của tấm (H2.4-c). Sự phá huỷ kim loại xảy ra ở phía trước mép
làm việc của lưỡi dao trong tấm, vì vậy các vết nứt gọi là các vết nứt phá vỡ trước
Sự đứt vỡ bắt đầu khi lưỡi dao éo sâu vào trong tấm đến một chiều sâu h xác
định. Chiều sâu này tuỳ thuộc tính chất cơ lý của kim loại và chiều dày S của tấm,
nếu vật liệu càng dẻo thì h càng lớn. Các giai đoạn của quá trình cắt được đặc trưng
bởi hình dạng của bề mặt cắt.
h
S
III
I
II
Hình 2.4- Bề mặt bên của phần kim loại được cắt ra
Vùng I là vùng uốn của tấm do các lớp kim loại liền kề với bề mặt cắt ( dọc
theo bề rộng của tấm) bị bao trùm bởi biến dạng dẻo thay đổi từ giá trị không ở lớp
giới hạn ngoài cùng đến giá trị cực đại ở bề mặt bị tách ra.
Vùng II là vùng có bề mặt sáng bóng, được san phẳng bởi lực ma sát.
Vùng III là vùng bề mặt nứt vỡ được tạo ra do sự xuất hiện và phát triển của
các vết nứt. Các vết nứt này tạo với bề mặt của tấm một góc θ xác định và được gọi

là góc nứt tự do. Giá trị của góc θ = ( 4 ÷ 6 )º tuỳ thuộc vào tính chất cơ lý của vật
liệu
SVTH: Phan Đình Hồng – Lớp 08C1D Trang 10
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Và Mô Phỏng Máy Cắt Thép Tấm
M
F
F
N
R
a
b
a
R
N
Q
M
S
δ
: goïc træåïc
: goïc sau
: goïc càõt
: goïc sàõc
β
β
δ
γ
γ
α
α
γ

Hình 2.5 - Sơ đồ tác dụng lực khi cắt
Bộ phận làm việc là những lưỡi cắt nhấn sâu vào trong kim loại làm cho nó bị
biến dạng dẻo cho đến khi tách hoàn toàn một phần vật liệu này ra khỏi phần vật liệu
khác. Giữa các lưỡi cắt có một khe hở Z. Khi cắt sẽ sinh ra mô men uốn M bằng tích
số giữa lực cắt đặt tại lưỡi cắt với khoảng cách lớn hơn khe hở Z một chút:
M = a.R , trong đó a > Z
Mô men uốn làm cho phôi cắt bị quay đi. Khi đó sẽ sinh ra phản lực N ở bề
mặt bên của lưỡi cắt. Tấm kim loại sẽ ngừng quay khi mô men uốn M cân bằng với
mô men do phản lực N gây ra:
M = a.R = N.b
Trong quá trình cắt nếu tấm kim loại bị quay đi một góc thi chất lượng mặt cắt
sẽ rất kém, bị ba via và đôi khi không thể cắt được nếu trị số khe hở Z lớn. Vì vậy
cần phải loại bỏ hiện tượng quay của tấm trong quá trình cắt bằng cơ cấu kẹp với lực
kẹp Q, đồng thời giảm khe hở giữa hai lưỡi dao đến trị số thích hợp và mài dao vát
góc trước γ.
Tuỳ thuộc vào khe hở giữa các lưỡi cắt Z và độ lún sâu của lưỡi dao vào chiều
dày tấm h tại thời điểm bắt đầu sự phá huỷ, các vết vết nứt vỡ xuất phát từ các mép
làm việc của lưỡi dao trên và dưới có thể song song với nhau hoặc gặp nhau. Khi các
vết nứt ở mép làm việc của các lưỡi cắt gặp nhau thì trị số khe hở Z là tối ưu bởi vì
khi đó chất lượng mặt cắt là tốt nhất, mặt cắt phẳng và nhẵn.
SVTH: Phan Đình Hồng – Lớp 08C1D Trang 11
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Và Mô Phỏng Máy Cắt Thép Tấm
Hình 2.6- Sơ đồ phân bố các vết nứt tại mép cắt
Trị số khe hở tối ưu được xác định nếu biết được giá trị của h và θ.
tu
Z
= ( S - h ).tg θ
Từ công thức trên ta có thể thấy rằng trị số khe hở tối ưu sẽ tăng lên khi chiều
dày vật liệu tăng và giảm trị số h ( vật liệu càng dẻo thì trị số khe hở tối ưu càng
nhỏ).

Tỷ số h/S tuỳ thuộc vào loại vật liệu phôi và tốc độ biến dạng. Giá trị này có
thể được xác định theo công thức kinh nghiệm:
h/S = 0,76 - 0,035.S - 0,0014.n (với thép có σb = 300MP)
trong đó : n- hành trình/phút của máy cắt
Trên thực tế trị số khe hở tối ưu Ztối ưu được xác định theo các số liệu trên cơ
sở thực nghiệm và những kinh nghiệm của những nhà máy tiên tiến. Đối với thép
mềm trị số khe hở tối ưu thay đổi tuỳ thuộc chiều dày vật liệu từ 0,02(khi S = 0,25)
đến 0,82 ( khi S = 12,5).
Một cách gần đúng có thể coi rằng với S ≤ 4 thì:
tu
Z
= (0,03 ÷ 0,06) mm
Theo kinh nghiệm thực tế khi cắt thép tấm trên máy cắt dao nghiêng thì
tu
Z
= 1/30 chiều dày vật liệu
Các nhân tố ảnh hưởng Sự thay đổi của Sự thay đổi của lực
SVTH: Phan Đình Hồng – Lớp 08C1D Trang 12
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Và Mô Phỏng Máy Cắt Thép Tấm
thông số cắt P
Giới hạn bền
b
σ
tăng tăng
Nhiệt độ cao nhỏ
Khe hở ∆
tăng giảm
Bán kính góc lượn lưỡi dao r giảm giảm
Góc của lưỡi dao α giảm giảm
Tốc độ cắt tăng Tăng

Bảng II- Các thông số ảnh hưởng đến lực cắt
SVTH: Phan Đình Hồng – Lớp 08C1D Trang 13
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế và mô phỏng máy cắt thép tấm
PHẦN II:THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MÁY CẮT THÉP TẤM
II.1 PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Trong thực tế có rất nhiều phương pháp cắt thép tấm như : Cắt thủ công, cắt
bằng ngọn lửa hàn khí, cắt bằng chùm tia laser, plasma hay các phương pháp cắt
bằng máy cắt có lưỡi dao Tùy theo hình dạng, kích thước của phôi, yêu cầu kỹ
thuật của sản phẩm cũng như qui mô sản suất mà ta có thể áp dụng phương pháp cắt
khác nhau. Mặt khác phương pháp cắt còn ảnh hưởng rất lớn đến năng suất sản
xuất. Ta tiến hành phân tích một số phương pháp cắt thép tấm phổ biến hiện nay, từ
đó chọn ra phương án thích hợp.
I- Giới thiệu một số phương pháp cắt thép tấm:
1.Phương pháp cắt thủ công:
Cắt thép bằng các phương pháp thủ công có nhiều cách, chẳng hạn như
phương pháp chặt bằng ve, tốn nhiều thời gian, các vết cắt không được thẳng và sản
phẩm tạo ra không đảm bảo yêu cầu về độ chính xác .
Phương pháp này chỉ áp dụng cho những phân xưởng thủ công, cắt các thép
tấm có chiều dày bé và tiết diện nhỏ .
Máy cắt thép thủ công: gồm hai lưỡi cắt và một cơ cấu cánh tay đòn và đòn
bẩy để tạo lực cho lưỡi cắt.
Máy này cũng chỉ áp dụng cắt những tấm thép có chiều dày và diện tích bé,
chủ yếu dùng trong các xưởng sản xuất vừa và nhỏ
2.Cắt bằng hồ quang điện hoặc ngọn lửa khí:
Cắt đứt kim loại đen, kim loại màu và kim loại bằng hồ quang hoặc ngọn lửa
khí là phương pháp đốt cháy làm cho vật cắt đạt tới điểm nóng, bị đẩy mạnh và bị
tách rời .
Cắt đứt bằng hồ quang: là quá trình nóng chảy hoặc cắt đứt kim loại bằng
nhiệt lượng hoặc hồ quang điện, điện cực hồ quang có thể là than hoặc kim loại .
Phương pháp này không kinh tế, khó thuận tiện khi chiều dày tấm thép lớn, đường

cắt không đều .
Cắt bằng khí là phương pháp cắt sử dụng nhiệt của ngọn lứa sinh ra khi đốt
cháy khí cháy trong dòng oxy để nung kim loại tạo thành các oxit và thổi chúng ra
Phan Đình Hồng_ Lớp 08C1D
Trang 14
N TT NGHIP Thit k v mụ phng mỏy ct thộp tm
khi mộp ct to thnh rónh ct . S quỏ trỡnh ct kim loi bng khớ c trỡnh
by hỡnh 3.1
Doỡng họựn
hồỹp khờ chaùy
Doỡng oxy cừt
C
2
H
2
+O
2
O
2
Hỡnh 3.1- S ct bng khớ
Khi bt u ct, kim loi mộp ct c nung núng n nhit chỏy nh
nhit ca ngn la nung, sau ú cho dũng oxy thi qua, kim loi b oxy hoỏ
mónh lit to thnh oxit . Sn phm chỏy b nung chy v c dũng oxy thi khi
mộp ct, tip theo do phn ng chỏy ca kim loi to nhit mnh, lp kim loi tip
theo b nung núng nhanh v tip tc b t chỏy to thnh rónh ct .
ct bng khớ, kim loi ct phi tho món mt s yờu cu sau :
+ Nhit chỏy ca kim loi phi thp hn nhit d núng chy.
+ Nhit núng chy ca oxit kim loi phi thp hn nhit núng chy ca
kim loi.
+ Nhit to ra khi kim loi chỏy phi ln nung mộp ct tt m bo

quỏ trỡnh ct khụng b giỏn on .
+Oxit kim loi núng chy phi loóng tt, d tỏch khi mộp ct.
+ dn nhit ca kim loi khụng quỏ cao, trỏnh s to nhit nhanh dn n
mộp ct b nung núng kộm, lm giỏn on quỏ trỡnh ct.
Thộp cỏc bon cú nhit chỏy 1350
0
C, nhit núng chy trờn 1500
0
C, nhit
chỏy t ti 70% lng nhit cn nung núng nờn rt thun li khi ct bng khớ.
Thộp cacbon cao do nhit chy thp nờn khú ct hn, khi ct thng nung núng
trc ti 300- 600
0
C. Thộp hp kim crụm hoc hp kim niken do khi chỏy to thnh
Phan ỡnh Hng_ Lp 08C1D
Trang 15
N TT NGHIP Thit k v mụ phng mỏy ct thộp tm
oxit crụm nhit chy ti 2000
0
C phi dựng thuc ct mi ct c , mt khỏc
m bo cht lng phụi, nõng cao nng sut v h giỏ thnh ct cn phi chn cỏc
ch ct hp lý khỏc nhau nh ỏp sut khớ ct, lng tiờu hao khớ ct , tc ct,
khong cỏch cn khng ch t m ct ti vt ct do ú vic dựng phng phỏp ny
ct thộp tm khụng mang li hiu qu kinh t cao cng nh nng sut thp, khú
chuyn sang t ng hoỏ.
3.Ct bng tia laser:
Trong nhng nm gn õy ngi ta ó bt u s dng laser ct tt c cỏc
vt liu vi bt k cng no.
Nguyờn lý chung v ct bng laser l mt phng phỏp to rónh ct hoc l
nh vo ngun nhit bc x rt ln ca laser lm vt liu vựng ct chỏy lng v bc

hi i ra ngoi.
1- Maùy phaùt laser
2- Chuỡm tia laser
3- Gổồng phúng nghióng
4- Thỏỳu kờnh họỹi tuỷ
5- Chi tióỳt cừt
h
d
4
3
2
1
5
Hỡnh 3.2- S nguyờn lý ct bng tia laser
Ngun bc x laser 1 to ra chựm tia laser 2 i thng hoc i hng nh
gng phng 3 v c hi t nh thu kớnh hi t cú tiờu c f trong 4 . Ngun
nng lng laser tp trung trờn mt din tớch rt nh vi mt dũng nhit to vựng
tip xỳc b mt rt cao lm vt liu 5 núng chy v bc hi to thnh rónh ct hoc
l khoan .
Phan ỡnh Hng_ Lp 08C1D
Trang 16
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế và mô phỏng máy cắt thép tấm
Cắt bằng chùm tia laser có nguồn nhiệt tập trung với một mật độ nhiệt cao, vì
vậy nó có thể cắt tất cả các loại vật liệu và hợp kim của nó. Rãnh cắt hẹp, sắc cạnh
và độ chính xác cao, ngoài ra nó còn có thể cắt theo đường thẳng hay đường cong
và có thể cắt theo các hướng khác nhau nhờ quá trình cắt không tiếp xúc.
Cắt thép bằng chùm tia laser cho năng suất cao, có thể cơ khí koá và tự động
hoá dễ dàng nhưng phương pháp này có những hạn chế là chiều dày tấm cắt nhỏ
hơn 20 mm , thiết bị tạo tia laser cũng như các thiết bị điều khiển chương trình số
CNC có giá thành cao .

4.Cắt trên máy cắt có lưỡi dao chuyển động tinh tiến:
a)Dao bố trí nghiêng:
Đặc điểm:
-Lưỡi dao và vật cắt chỉ tiếp xúc nhau trên một phần chiều rộng
+ Diện tích tăng từ 0 đến cực đại, đây là thời kỳ bẳt đầu cắt
+ Diện tích tiép xúc giữ ở giá trị cực đại, đây là thời kỳ ổn định
+ Diện tích tiếp xúc giảm từ cực đại về 0, thời kỳ kết thúc
-Trong thời kỳ ổn định lực cắt có giá trị cực đại và cố định
* Sơ đồ nguyên lý:
γ
L
L
d
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý cặp lưỡi dao nghiêng
Ở phương pháp cắt này người ta thường bố trí lưỡi dao nghiêng một góc γ so
với bàn máy.Khi bố trí lưỡi dao trên nghiêng thì quá trình cắt xảy ra dần dần, trên
phần tách ra của tấm, vì thế lực cắt nhỏ hơn khi bố trí dao song song. Ngoài ra tải
trọng tĩnh đặt lên mép làm việc của lưỡi dao làm tăng độ cứng vững của chúng .Góc
nghiêng của lưỡi dao trên γ cần phải đảm bảo tự hãm, nghĩa là với góc nghiêng đó
Phan Đình Hồng_ Lớp 08C1D
Trang 17
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế và mô phỏng máy cắt thép tấm
trong quá trình cắt không có sự dịch chuyển tấm trong mặt phẳng nằm ngang. Tùy
theo chiều dày của tấm, góc nghiêng γ = (2 ÷ 6)º, vật liệu càng dày góc γ càng lớn.
* Phương pháp xác định lực cắt:
Khi vật liệu có σ
b
> 500MPa thì chiều dày tấm lớn nhất có thể cắt được sẽ
được xác định từ điều kiện lực cắt không đổi:
b

X
S
σ
500
=
trong đó:
X
S
là chiều dày của tấm thép
b
σ
là giới hạn bền của vật liệu
Lực cắt trên máy cắt dao nghiêng được xác định theo công thức :
γσ
tgSP
ct
2/.
2
=
Tại mỗi thời điểm cắt , khi cắt trên máy cắt dao nghiêng ta có thể coi diện
tích gần đúng cắt : F = l.S/2
tức là bằng diện tích tam giác abc, vì l= S/tg γ nên F = S
2
/ 2tg γ
b
c
a
l
S
γ

Hình 3.4- Sơ đồ xác định lực cắt
Nếu coi lực cắt bằng tích số giữa diện tích cắt và trở lực cắt ta có:
γ
σ
tg
S
P
c
t
5,0
2
=
Nếu tính đến độ cùn dao và các yếu tố ảnh hưởng thì lực cắt thực tế là:
γ
σ
tg
S
PkP
c
t
5,0
).3,11,1(.
2
÷==
trong đó: k - hệ số = 1,1÷1,3.
Phan Đình Hồng_ Lớp 08C1D
Trang 18
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế và mô phỏng máy cắt thép tấm
t
P

- lực cắt tính toán theo công thức trên;
c
σ
- trở lực cắt của vật liệu
S - chiều dày vật liệu
γ - góc nghiêng của dao
Tính chất cơ lý của vật liệu, khe hở giữa các lưỡi cắt, tốc độ biến dạng, điều
kiện ma sát có ảnh hưởng đến trở lực cắt của vật liệu
c
σ
và do đó ảnh hưởng đến
lực cắt. Nếu vật liệu có độ bền càng lớn và tính dẻo càng giảm, cũng như tốc độ
biến dạng càng tăng thì trở lực cắt
c
σ
tăng, nếu khe hở giữa các lưỡi cắt tăng thì
c
σ
giảm.
Trở lực cắt được xác định gần đúng theo giới hạn bền chảy
c
σ
= (0,7 ÷ 0,8)
b
σ
Khi cắt có thể xảy ra hiện tượng uốn (xoắn) các dải phôi xung quanh trục của
nó. Nếu γ càng lớn và chiều rộng của dải cắt càng nhỏ thì hiện tượng uốn (xoắn)
càng nhiều.
Khi cắt, lực cắt P ở các giai đoạn đã ổn định của quá trình cắt thay đổi không
đáng kể. Do đó công biến dạng sẽ là:

1000
.HP
A =
Trong đó: H là hành trình làm việc. H = L.tg
γ
(L là chiều dài đường cắt), do đó:
1000

γ
tgLP
A
=
b)Dao bố trí song song:
Nói chung kết cấu và các thông số của cặp lưỡi dao song song cũng giống
như dao nghiêng, lực cắt trong trường hợp này được xác định theo công thức:
c
SLkP
σ
=
Trong đó : k - hệ số = 1,1÷ 1,3
L- chiều dài đường cắt
S- chiều dày vật liệu
c
σ
- trở lực cắt của vật liệu.
Phan Đình Hồng_ Lớp 08C1D
Trang 19
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế và mô phỏng máy cắt thép tấm
II
I

S (mm)
14
12
8
4
0
50
100
150
P
(KN)
Hình 3.5- Sự thay đổi lực khi cắt trên máy cắt
I) dao nghiêng; II) dao song song
* Khi cắt trên máy cắt dao song song lực cắt P tăng nhanh và đạt giá trị cực
đại , sau đó giảm dần (đư ờng II hình 5.5).
Khi cắt các tấm như nhau thì công biến dạng được đặc trưng bởi diện tích
của phần bề mặt giới hạn bởi đường cong I và II ( đường cong tải trọng làm việc) là
gần bằng nhau. Tuy nhiên ở trường hợp I lực cắt nhỏ hơn so với II. Do đó công suất
dẫn dộng của các máy cắt dao nghiêng nhỏ hơn so với máy cắt dao song song .
5.Cắt trên máy cắt có lưỡi dao chuyển động quay:
a)Sơ đồ nguyên lý:
d
S
S
Z
h
δ
Hình 3.6- Kết cấu của dao cắt đĩa
Phan Đình Hồng_ Lớp 08C1D
Trang 20

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế và mô phỏng máy cắt thép tấm
Các máy cắt có lưỡi dao chuyển động quay gồm các lưỡi cắt (đĩa) có cùng
đường kính chuyển động quay ngược chiều nhau với cùng một tốc độ góc. Các mép
làm việc của các đĩa dao được đặt sao cho độ trùng dao d = (0,2 ÷ 0,4 )S
Đặc điểm nổi bật khi cắt trên máy cắt dao đĩa là với một đường kính đĩa dao
xác định, các máy cắt không những chỉ cắt kim loại mà còn giữ chặt và kéo kim loại
vào vùng cắt. Vì vậy chiều dài của dải cắt là không giới hạn.
Thông số đặc trưng cho máy cắt dao đĩa là chiều dày lớn nhất của tấm cắt, nó
có thể cắt được tấm có chiều dày đến 25mm khi
b
σ
≤ 500 MPa.
b)Phương pháp xác định lực cắt:
L
R
l
d
T
T
T
α
1
S
α
D
T
R
β
α
N

α
a
b
c
P
S/2
N
a)
b)
Hình 3.7- Sơ đồ tác dụng lực khi cắt trên máy cắt dao đĩa
Chúng ta khảo sát điều kiện ăn dao của các đĩa dao. Ở thời điểm tiếp xúc
giữa dao với tấm có lực ma sát T và áp lực pháp tuyến N tác dụng lên tấm, các đĩa
dao sẽ kéo tấm kim loại vào vùng cắt khi :
2. T. cos α > 2.N.cos β
Theo hình vẽ ta có : β = (90º- α) và theo định luật Culông T = μ.N ( trong dó
μ là hệ số ma sát tiếp xúc). Thay vào bất đẳng thức trên ta có :
2.μ.N.cos α > 2.N.sinα
Từ đó ta có: μ ≥ tg α
Phan Đình Hồng_ Lớp 08C1D
Trang 21
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế và mô phỏng máy cắt thép tấm
Như vậy để có thể kéo tấm, các đĩa cắt ở thời điểm bắt đầu cắt phải đảm bảo
sao cho tang của góc nghiêng giữa tiếp tuyến với đường bao của đĩa cắt tại điểm
tiếp xúc với tấm và trục nằm ngang (tgα) phải bằng hoặc nhỏ hơn hệ số ma sát.
Ở giai đoạn ổn định của quá trình cắt , điều kiện ăn dao có thể viết dưới
dạng:
tb
tg
αµ
≥

trong đó
2/)(
1
ααα
+=
tb
.
Hay :
]2/)[(
1
ααµ
+> tg
Do chiều dày S nhỏ so với đường kính đĩa dao, giá trị của góc α và
1
α
cũng
rất nhỏ nên chúng ta có thể coi :
2/sin2/sin2/2/]2/)[(
111
αααααα
+≈+≈+ tgtgtg
Như vậy điều kiên ăn dao có dạng:
2/sin2/sin
1
ααµ
+≥
Sử dụng một số phép biến đổi lượng giác và quan hệ hình học ta có:ss
)(
222
dSd

R
d
R
d
R
Sd
++=+
+
≥
µ
Từ điều kiện này ta có thể xác định được đường kính nhỏ nhất của đĩa dao để
đảm bảo điều kiện ăn dao trong quá trình cắt:
2
minmin
1
].5,0).([2
µ
SdSddDR +++≥=
Như vậy đường kính dao sẽ càng lớn nếu như chiều dày vật liệu cắt S và độ
trùng dao d càng lớn, lực ma sát trên bề mặt tiếp xúc của đĩa dao và tấm càng nhỏ .
Nếu d thay đổi trong khoảng ( 0,2 ÷ 0,4)S thì đường kính của đĩa dao sẽ là:
2
)2,10,1(
µ
S
D ÷≥
Như vậy nếu hệ số ma sát μ= 0,15 thì D ≥(45÷55)S và nếu μ= 0,2 thì
D ≥(25÷30)S
Khi cắt trên máy cắt dao đĩa ổ biến dạng là tam giác có cạnh cong abc (hình
3.6-b). Vì chiều dày S của vật liệu rất nhỏ so với bán kính đĩa dao R nên có thể coi

gần đúng tam giác abc là các tam giác có các cạnh thẳng.
Phan Đình Hồng_ Lớp 08C1D
Trang 22
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế và mô phỏng máy cắt thép tấm
Thành phần thẳng đứng của lực cắt P tác dụng theo đường song song với
đường nối tâm của các đĩa dao, sẽ bằng tích số giữa diện tích của ổ biến dạng F với
trở lực cắt
c
σ
cc
FP
σ
.=
Trong đó
γ
tg
bc
l
l
bcF
2
;
2
.
==
và 2γ là góc ở đỉnh tam giác abc. Nếu coi :
2/)(
21
αααγ
+==

tb

thì điểm đặt lực P trùng với trọng tâm tam giác abc và ta có:
)(2

.
.4

.
22
ddS
RS
K
tg
RS
KP
c
tb
c
t
++
==
σ
α
σ
Như vậy lực cắt P sẽ tăng khi: S,
c
σ
, R tăng và độ trùng dao d giảm. Lực cắt
giảm khi d tăng

Mô men cắt cần thiết:
α
sin
2
D
M =
( có thể coi
2
D
L ≈
)
Thay giá trị P vào công thức trên ta được:
ασ
cos 125,0
2
DSM
c
=
Thay giá trị của cosα vào ta được:
).(.125,0
2
SdDDSM
c
−−=
σ
Như vậy mô men cần thiết để quay các đĩa dao sẽ tăng lên khi tăng các thông
số chiều dày cắt S, trở lực cắt
c
σ
và đường kính đĩa dao D. Khi độ trùng dao d tăng

thì mô men M giảm.
6.Kết luận:
Ở trên ta đã đưa ra một số phương án cắt thép tấm. Thông qua ưu, nhược điểm đánh
giá các phương án ta có nhận xét như sau:
- Phương pháp dùng hồ quang quang điện hay ngọn lửa khí có thể cắt được
thép tấm có bề dày lớn nhưng chất lượng mép cắt không cao, năng suất thấp, khó cơ
khí hoá và tự động hoá. Do đó nó chỉ phù hợp khi cắt những tấm dày, có hình dáng
phức tạp.
Phan Đình Hồng_ Lớp 08C1D
Trang 23
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế và mô phỏng máy cắt thép tấm
- Phương pháp cắt bằng tia laser: Dùng chùm tia laser có thể gia công được
các loại vật liệu có cơ tính tốt , dế dàng cơ khí hoá và tự động hoá. Tuy nhiên chiều
dày cắt được tương đối mỏng, mặt khác thiết bị tạo nguồn laser phức tạp và giá
thành cao.
-Phương pháp cắt bằng cặp dao đĩa, phương pháp này tốc độ cắt chậm hơn,
năng suất thấp khi ta cắt thép tấm có chiều dày lớn tuy rằng lực cắt nó nhỏ, do đó
phương pháp này không hiệu quả .
- Phương pháp cắt bằng dao có lưỡi nghiêng : Phương pháp này tuy mép cắt
không được thẳng và đẹp nhưng lực cắt cần thiết không yêu cầu lớn, có thể cắt theo
những đường cắt cong, do đó không yêu cầu kết cấu máy phải cồng kềnh, máy ít
rung động đến xung quanh, do vậy ta chọn phương án lưỡi dao cắt nghiêng để thiết
kế máy .
III-Phân tích chọn phương án thiết kế máy :
Như vậy ta đã phân tích chọn được phương án cắt dùng cặp lưỡi dao nghiêng
chuyển động tịnh tiến. Tuy nhiên để thực hiện chuyển động tịnh tiến cũng có nhiều
loại cơ cấu khác nhau.Do đó cần phải chọn phương án truyền động hợp lý nhằm
thoả mãn một số yêu cầu chủ yếu sau:
- Máy thiết kế có hình dạng và kết cấu hợp lý theo quan điểm công nghệ chế
tạo và lắp ráp .

- Vật liệu chế tạo chi tiết máy được chọn hợp lý, đảm bảo các yêu cầu liên
quan đến công dụng và điều kiện sử dụng máy .
- Có thể sử dụng các phương pháp công nghệ phù hợp để đơn giản hoá quá
trình chế tạo từ khâu chuẩn bị phôi đến gia công chế tạo, kiểm tra, lắp ráp và
nghiệm thu sản phẩm .
- Máy phải có khối lượng và kích thước nhỏ gọn .
- Giá thành và chi phí cho sử dụng là thấp nhất, phù hợp với điều kiện hiện có.
Chuyển động tịnh tiến của dao trên có thể nhờ vào chuyển động của các cơ cấu sau
1.Chuyển động tịnh tiến nhờ cơ cấu tay quay con trượt:
a) Sơ đồ nguyên lý:
1- Tay quay
Phan Đình Hồng_ Lớp 08C1D
Trang 24
ω
v
1
2
3
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế và mô phỏng máy cắt thép tấm
2- Thanh truyền
3- Con trượt
Hình 3.8- Sơ đồ cơ cấu tay quay con trượt
b)Nguyên tắc hoạt động:
Tay quay 1 được dẫn động bởi động cơ điện chuyển động quay tròn, truyền
chuyển động cho thanh truyền 2. Thanh truyền đẩy con trượt 3 chuyển động tịnh
tiến dọc theo rãnh trượt
Đặc điểm: Cơ cấu này có nguyên lý làm việc và kết cấu đơn giản, độ cứng
vững cao, dễ chế tạo. Tuy nhiên tạo lực không lớn, dẫn động phức tạp và khó điều
khiển
2.Chuyển động tịnh tiến nhờ xy lanh thuỷ lực:

Truyền dẫn thuỷ lực ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo máy,
đặc biệt là trong các máy cắt, máy đột dập, máy gia công áp lực…
a)Sơ đồ nguyên lý:
1- Van phán phäúi
2- Xy lanh
3- Pêt täng
3
2
1
Hình 3.9- Sơ đồ hệ thống xy lanh thuỷ lực
b)Nguyên tắc hoạt động:
Dầu được bơm với áp suất cao từ bể dầu, qua các phần tử thuỷ lực như van
tràn, van an toàn, van phân phối sau đó được dẫn vào buồng bên trái của xy lanh.
Áp lực lớn của dầu sẽ đẩy pít tông tiến lên phía trước. Trong hành trình ngược lại
dầu được dẫn vào buồng bên phải đẩy pít tông lùi về.
Phan Đình Hồng_ Lớp 08C1D
Trang 25