Giáo trình: Công nghệ tạo phôi nâng cao - P4

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

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

Hình 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
dt
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
dt
xd
MG.P.fffPP.f =+

Trờng đại học Bách khoa - Đại học Đà nẵng