Giáo trình Máy ép thủy lực - Chương 1: Các khái niệm cơ bản

Nội dung text: Giáo trình Máy ép thủy lực - Chương 1: Các khái niệm cơ bản

1. Ch−ơng 1 Các khái niệm cơ bản 1.1. Nguyên lý hoạt động và phân loại Máy ép thuỷ lực là một máy công cụ sử dụng nguồn lực là hệ thống thuỷ lực, dựa trên nguyên lý định luật Pascal. Nếu ta có 2 xilanh-pittông đ−ợc nối với nhau bằng ống dẫn, nh− hình 1-1a, bên trong chứa đầy chất lỏng. D−ới tác dụng của ngoại lực lên pittong 1, P1 , sẽ tạo ra một áp suất trong chất lỏng p, gọi là áp suất thuỷ tĩnh. Theo định luật Pascal, áp lực p đ−ợc truyền cho toàn bộ khối chất lỏng nằm trong 2 xilanh và luôn có h−ớng vuông góc với mọi thành ống. áp suất P chất lỏng đ−ợc tạo ra có giá trị p = 1 . Nh− vậy, do áp suất chất lỏng luôn có f1 chiều vuông góc với pittông lớn 2, nên chúng tạo ra áp lực tác dụng lên pittông 2 có giá trị P2 = p.f2. Chính lực này sẽ tạo ra công năng để biến dạng vật liệu 3. Từ đó, ta có: f P = P 2 2 1 f 1 (1.1) Có nghĩa là, lực P2 luôn bằng tích của lực P1 với tỷ số giữa diện tích f2 của pittông 2 trên diện tích f1 của pittông 1. Nh− vậy, tỷ số f2/f1 càng lớn, áp lực dùng để gia công vật liệu càng lớn. Hình 1-1. Máy ép thuỷ lực a. nguyên lý hoạt động; b. sơ đồ kết cấu; c. sơ đồ máy ép có dầm di động 7
2. Theo hình 1.1.b, kết cấu máy ép thuỷ lực gồm các cụm chính sau: Thân khung máy; Hệ thống thuỷ lực; Hệ thống điều khiển. Nguyên lý hoạt động của máy ép: Xi lanh công tác 4 đ−ợc cố định trên dầm ngang trên 6 và liên kết với dầm ngang cố định d−ới 9 qua các trụ dẫn h−ớng 7, tạo thành thân khung máy. Pittông 5 chuyển động trong xi lanh 4, đ−ợc gắn với dầm di động 8, đ−ợc tr−ợt theo trụ dẫn h−ớng. Trên dầm di động có bàn máy trên với các rãnh lắp bulông để lắp khuôn trên. DầM di động đ−ợc chuyển động đi xuống nhờ pittông công tác và chuyển động đi lên nhờ pittông trở về 11. Trên dầm cố định d−ới có lắp bàn máy (d−ới) dùng để lắp khuôn d−ới. Do sử dụng nguồn chất lỏng áp suất cao, nên giữa xi lanh và pittông th−ờng dùng các loại đệm kín (gioăng) để tránh rò rỉ làm giảm áp lực chất lỏng. Các thông số cơ bản của máy ép thuỷ lực: Lực ép định mức d−ới tác động của áp suất tối đa của chất lỏng gọi là lực ép danh nghĩa PH, đ−ợc xác định bằng tích số giữa áp suất danh nghĩa của khối chất lỏng p với diện tích tiết diện ngang của pittông công tác f. Chiều cao kín của máy H - khoảng cách giữa hai bàn máy. Khoảng làm việc S – quãng đ−ờng dầm di động có khả năng tr−ợt tự do. Tốc độ dầm di động đi xuống là tốc độ không tải, th−ờng sử dụng tốc độ nhanh. Tốc độ ép là tốc độ khi ép tạo hình biến dạng kim loại, th−ờng chậm. Tốc độ trở về của bàn máy là tốc độ không tải, phụ thuộc xilanh-pittông đi lên. Kích th−ớc bàn của dầm ngang dùng lắp bàn máy. Kích th−ớc bàn máy d−ới, dùng để lắp khuôn. Máy ép thuỷ lực rất đa dạng. Với một cụm tạo lực bơm - pittông- xi lanh có thể lắp thành nhiều dạng máy khác nhau, phục vụ các dạng công nghệ khác nhau. Tuỳ theo chức năng công nghệ, máy ép thuỷ lực đ−ợc phân thành máy ép gia công vật liệu kim loại (hình 1-2.a), máy ép gia công vật liệu phi kim loại (hình 1-.2.b) và các máy công dụng khác. Trong tài liệu này chủ yếu giới thiệu máy ép kim loại. Máy ép kim loại đ−ợc chia thành 5 nhóm: máy ép rèn tự do – dập thể tích, máy ép chảy kim loại, máy ép dập tấm, máy ép dùng trong lắp ráp và máy ép ép kim loại phế thải. Cùng với sự phát triển của công nghệ gia công áp lực, các dạng máy mới dần xuất hiện nhằm đáp ứng yêu cầu của từng công nghệ riêng biệt. 8
3. tinh ập D - Đột Đột Rèn Dập Chuốt Chuốt Bẻ nguội Cắt bavia bavia Cắt nổi p chảy nguội p chảy Thanh - ống Máy cắt phôi é ập Thanh định hình D Máy rèn và dập thể tích Máy ép chảy Máy ép thuỷ lực gia công kim loại Máy dập tấm Máy nắn sửa và lắp Máy xử lý phế ráp liệu kim loại y i p ạ y tấm dà tấm mé ói p p g cao su cao ấ g bánh bánh g g mé g t kim lo tấm dà p Chồn Chồn ộ ấ p lắp ráp p lắp bằn ập g Đón b é Đón p D ập é Kéo và dập dãn Uốn và D Nắn sửa, tinh chỉnh Máy cắt vật liệu tấm vật liệu cắt Máy Uốn và kép đơn, dụng Dập tấm tác Máy ép thuỷ lực dùng để gia công vật liệu phi kim loại Máy gia Máy gia Máy ép Máy tự Máy gia Máy đóng công các công chất các tấm động gia công bằng viên và bột phi dẻo phi kim công nóng pp dùng điện đóng bánh kim loại loại chất dẻo cực Hình 1-2. Phân loại máy ép theo chức năng công nghệ a. máy gia công kim loại; b. máy gia công phi kim loại 9
4. • Máy ép nhóm thứ nhất là máy ép dùng để rèn tự do và dập thể tích. Máy dùng để rèn tự do và rèn trong khuôn đơn giản có lực ép danh nghĩa PH = 5 ữ 120 MN (500 ữ 12000 T). Máy ép dập thể tích dùng để dập nóng các chi tiết làm từ thép hoặc hợp kim nhôm và hợp kim magiê, PH = 10 ữ 700 MN (1000 ữ 70000 T). Máy ép đột lỗ, dùng để đột lỗ sâu phôi thép ở trạng thái nóng trong khuôn kín, PH = 1,5 ữ 30 MN (150 ữ 3000 T). Máy ép để chuốt kéo các phôi rèn bằng thép, PH = 0,75 ữ 15 MN (75 ữ 1500 T). • Nhóm thứ hai gồm các máy ép dùng để ép chảy hay ép đùn các sản phẩm dạng ống - thanh định hình từ hợp kim màu và thép, có áp lực PH = 0,4 ữ 120 MN. • Nhóm thứ 3 bao gồm: máy ép dập tấm tác động đơn, chỉ có xilanh công tác ép với PH = 0,5 ữ 10 MN (50 - 1000 T). Máy ép vuốt sâu các chi tiết hình trụ, với tác động kép có xilanh công tác tạo lực ép và xilanh tạo lực ép biên, PH = 0,3 ữ 40 MN (30 - 4000 T). Máy ép cao su PH = 10 ữ 200 MN (1000 - 20000 T). Máy ép gấp mép, tạo mặt bích, uốn và dập các vật liệu dạng tấm dày, PH = 3 ữ 45 MN (300 - 4500 T). Máy ép lốc, để uốn lốc các các vật liệu dạng tấm dày ở trạng thái nóng, PH = 3 ữ 200 MN (300 - 20000 T). • Nhóm thứ 5 thuộc các loại máy ép đóng gói và đóng bánh, dùng để ép phế liệu dạng nh− phoi kim loại và các phế liệu kim loại, PH = 1 ữ 6 MN (100 - 600 T). Máy ép vật liệu phi kim loại bao gồm: máy ép vật liệu bột, máy ép chất dẻo và máy ép để ép các dạng tấm, phiến. Ngày nay nhiều dạng máy mới xuất hiện: máy ép vật liệu bán lỏng kiểu đứng, có hệ thống kẹp chặt khuôn bằng cơ khí, nh−ng xilanh ép vật liệu bán lỏng đ−ợc thiết kế ép 2 đến 3 cấp áp lực. Các máy ép chảy chi tiết dạng cốc dài có bàn máy di động, máy ép uốn các profin dùng uốn vỏ tàu thuỷ Tính công nghệ của máy ép thủy lực phụ thuộc kết cấu của thân máy (kiểu cột, kiểu hai trụ, kiểu một trụ và kiểu chuyên dùng) và kiểu dạng và số l−ợng xi lanh (pittông, pittông nhiều bậc ). Máy bốn trụ cố định đ−ợc sử dụng rộng rãi, các dầm động di chuyển theo ph−ơng thẳng đứng (hình 1-b). Đôi khi khung máy đ−ợc làm theo kiểu chuyển động (hình 1-c). Các máy ép đùn các chi tiết dạng thanh th−ờng có kết cấu dạng nằm ngang để giảm chiều cao nhà x−ởng. Trên hình 1-3 trình bày các dạng xi lanh của máy ép, xi lanh kiểu trụ, kiểu pittông trụ nhiều bậc là loại xi lanh tác dụng đơn. Xi lanh công tác kiểu pittông nhiều bậc đ−ợc sử dụng trong tr−ờng hợp khi phần d−ới pittông đi qua xi lanh công tác (ví dụ: máy ép thanh - ống). 10
5. Các xi lanh kiểu pittông đ−ợc sử dụng rộng rãi khi dùng dầu nhờn làm chất lỏng công tác. Trong tr−ờng hợp này, chi tiết bịt kín cho pittông th−ờng dùng dạng vòng găng (xécmăng). Xilanh kiểu pittông là xilanh tác dụng hai chiều, có thể tạo lực nén gia công khi áp suất chất lỏng tác dụng ở mặt trên, và có thể trở về khi áp suất chất lỏng tác đụng phía d−ới pittông. Trong máy ép có xilanh công tác đặt phía Hình 1-3. Các dạng xilanh của máy ép thuỷ lực d−ới khung máy, có thể không có a. kiểu Pludơ; b. kiểu nhiều bậc xilanh đẩy về, trong tr−ờng hợp này, c. kiểu pittông xilanh chuyển động trở về nhờ trọng l−ợng của phần chuyển động của máy ép. Xilanh công tác đ−ợc nối với thùng chứa chất lỏng qua các ống dẫn. 1.2. truyền dẫn thuỷ lực và thiết bị thuỷ lực của máy ép Các thành phần của hệ thống máy ép thuỷ lực bao gồm: máy ép, bộ phận truyền dẫn, phần thu hồi chất lỏng, các thùng chứa, các bộ phận điều khiển - bộ phân phối, các van, các đ−ờng ống nối, cút nối để liên kết tất cả các phần tử kể trên thành một hệ thống thống nhất, hệ thống điện và bộ điều khiển. Nguồn cung cấp chất lỏng áp suất cao cho máy ép quyết định dạng dẫn động của máy ép. Hệ thống cung cấp chất lỏng quyết định sơ đồ thuỷ lực và tác động của máy ép (hình 1-4). Có 2 dạng chất lỏng sử dụng trong máy ép thuỷ lực là dầu khoáng và nhũ t−ơng. Các dạng dẫn động gồm dẫn động kiểu dùng bơm và dẫn động kiểu dùng bộ tăng áp. Trong dạng dẫn động dùng bơm đ−ợc phân làm 2 loại, có dùng bình tích áp và không dùng bình tích áp. Khi dùng loại dẫn động không có bình tích áp, nguồn cấp chất lỏng áp suất cao cho máy ép chỉ thực hiện từ các bơm. Hệ thống dẫn động có bình tích áp là hệ thống chất lỏng công tác đ−ợc cấp đồng thời từ bình tích áp và từ bơm ở hành trình công tác. 11
6. Đối với các hệ thống dẫn động kiểu tăng áp, chất lỏng đ−ợc cấp cho máy ép trong hành trình công tác nhờ bộ tăng áp, chất lỏng công tác đ−ợc cấp theo từng l−ợng nhất định. Bộ tăng áp là bơm xilanh áp suất cao. Hình 1-4. Phân loại trạm ép thuỷ lực Chất lỏng công tác cũng là một đặc tr−ng của máy ép thuỷ lực, chúng quyết định đặc điểm kết cấu của máy ép. Dầu khoáng là dạng chất lỏng công tác dùng trong máy ép thuỷ lực có áp lực không lớn. Chúng có nhiều −u điểm nh− độ nhớt cao, hệ số biến dạng thể tích nhỏ, không gây ăn mòn chi tiết. Nh−ng dầu khoáng đắt. Ng−ợc lại, dùng nhũ t−ơng làm chất lỏng công tác có giá thành hạ th−ờng dùng cho các máy ép thuỷ lực có lực danh nghĩa lớn, l−ợng chất lỏng lớn, tính kinh tế tốt. Khi sử dụng kiểu dẫn động kiểu bơm có bình tích áp, bình tích áp có nhiệm vụ tích trữ năng l−ợng trong toàn bộ chu trình công tác của máy ép để thực hiện hành trình công tác. Nhờ đó, làm đều tải cho bơm và động cơ điện. Nh−ợc điểm của dẫn động kiểu bơm có bình tích áp là năng l−ợng tiêu hao phụ thuộc vào trở lực biến dạng của phôi và dung l−ợng của bình tích áp. Đối với loại dẫn động kiểu bơm không có bình tích áp, thì công suất định mức của động cơ và bơm đ−ợc xác định thông qua công suất lớn nhất do máy ép tạo ra. Bộ dẫn động sẽ tiêu thụ năng l−ợng tạo ra công có ích của máy ép. 12
7. Sự dẫn động từ bộ tăng áp dùng cho hơi hoặc khí nén, năng l−ợng tiêu thụ cũng không phụ thuộc vào trở lực biến dạng của phôi. Nó có thể đảm bảo thực hiện đ−ợc một số lớn các hành trình ngắn và lặp lại. Dẫn động từ bộ tăng áp cơ khí sẽ đảm bảo tiêu thụ năng l−ợng không phụ thuộc vào công thực hiện, nó cũng đảm bảo số l−ợng lớn các hành trình lặp lại và l−ợng biến dạng đồng đều của đầu búa vào phôi kim loại. 1.3. Chất lỏng công tác và áp suất sử dụng Trong các máy ép thuỷ lực, chất lỏng công tác th−ờng dùng là nhũ t−ơng hoặc dầu khoáng. Để tránh gỉ cho các chi tiết nh− xilanh, pittông, các chi tiết điều khiển và đ−ờng ống, n−ớc đ−ợc cho thêm 2 ữ 3 % chất nhũ t−ơng. Thành phần của chất nhũ t−ơng bao gồm: 83 ữ 87% dầu khoáng, 12 ữ 14% axit oleic và 2,5% xút nồng độ 40%. Dầu khoáng th−ờng đ−ợc dùng là dầu máy, dầu công nghiệp, dầu tuabin Bảng 1-1 Quan hệ đặc tính các bộ phận của máy ép thuỷ lực và chất lỏng Đặc tính của các bộ phận phụ thuộc vào chất lỏng Bộ phận máy ép thuỷ công tác lực N−ớc - Nhũ t−ơng Dầu khoáng Đệm kín các pittông Vòng bít kín hoặc xéc Khe hở đ−ờng kính giữa đ−ờng kính từ 60-70 măng pittông và xilanh là nhỏ mm khi áp suất cao Bộ phân phối chất Kiểu van tr−ợt, có thể sử lỏng áp suất cao Kiểu van dụng các van loại khác Bơm Tốc độ chậm có kích Tốc độ nhanh và kích th−ớc th−ớc t−ơng đối lớn nhỏ Đệm kín của thiết bị Rà kín bề mặt hoặc dùng Kiểu mềm thuỷ lực vòng xécmăng Kiểu pittông với xi lanh Xi lanh Kiểu pittông đ−ờng kính lớn Không có các phần tử Chỉ có các phần tử phân Bình tích áp ngăn cách và có các cách giữa dầu và hơi phần tử này Các tính chất cơ bản của chất lỏng công tác là tính chịu nén và độ nhớt. Hệ số nén thể tích đối với n−ớc (nhũ t−ơng) ≈ 5.10-6 cm2/N, với dầu khoáng là 6.10-6cm2/N, t−ơng ứng với vùng áp suất làm việc của các máy ép. áp suất chất lỏng càng lớn, thì hệ số nén thể tích càng giảm. 13
8. Độ nhớt của dầu khoáng dùng trong các máy ép thuỷ lực vào khoảng 1,5 – 60E (BY), ở nhiệt độ khoảng 500C và áp suất khí quyển. Trong khi độ nhớt của nhũ t−ơng không chịu ảnh h−ởng của áp suất, thì độ nhớt của dầu thay đổi đột ngột khi áp suất dầu tăng. Khi áp suất của dầu tăng đến gần 30MPa, độ nhớt của dầu tăng lên gấp đôi. Nh− vậy, cần phải tính đến quan hệ giữa áp suất chất lỏng và độ nhớt trong các kết cấu có thể tích chất lỏng lớn và chuyển động với áp suất cao, nh− trong máy ép rèn. Nhiệt độ bốc cháy của hơi dầu dao động trong khoảng từ 160 ữ 2100 C, vì vậy, cần phải chú ý khi rèn ép các phôi nóng. Các loại dầu có độ nhớt nhỏ, thì nhiệt độ tự bốc cháy cũng thấp. Nh− vậy, chất lỏng công tác sử dụng trong hệ thống thuỷ lực đóng vai trò quan trọng có tính quyết định đối với các đặc điểm kết cấu của cơ cấu dẫn động, hệ thống điều khiển và của cả máy ép (bảng 1-1). áp suất danh nghĩa của chất lỏng công tác trong máy thuỷ lực đ−ợc tiêu chuẩn hoá theo ΓOCT 356 - 80. Các áp suất thông th−ờng là 20, 30 và 40 MPa. 1.4. Chu trình công tác Chu trình công tác là thời gian các b−ớc trong quá trình gia công biến dạng. Thời gian của chu trình của máy ép ở dạng tổng quát có thể biểu diễn nh− sau: Tcht = tT + tKt + tTa + tgct + tc + tga + tkh + tch (1.2) trong đó: tT - thời gian dầm ngang treo, là thời gian tiến hành cấp phôi hoặc lắp dụng cụ, tKt - thời gian chạy không tải, là thời gian dầm động dịch chuyển xuống đến lúc dụng cụ tiếp xúc với phôi, tTa - thời gian tăng áp suất ở các xi lanh công tác, tgct - thời gian hành trình công tác, là thời gian tiến hành gia công theo công nghệ cần thiết, tc - thời gian nén ép chi tiết d−ới áp lực, tga - thời gian giảm áp suất ở các xi lanh công tác, tkh - thời gian hành trình trở về của dầm ngang, tch - thời gian chuyển vị trí của cơ cấu điều khiển. Các máy ép có các công dụng khác nhau, thời gian chu trình có thể khác nhau, do đó số l−ợng thành phần và giá trị của các thành phần đó cũng khác nhau. Thí dụ, nh− khi là phôi trên máy ép rèn, không có các thành phần tT và tgtc. 14
9. Giá trị của từng chu kỳ riêng biệt do dạng dẫn động quyết định. Thí dụ, nếu Tcht v−ợt quá tc rất nhiều, nên sử dụng kiểu dẫn động bằng bơm có bình tích áp, cho nên ta có: SKt Sct SKh tKt = ; tct = ; tKh = vKt vct vKh trong đó: SKt, Sct, SKh - hành trình không tải, hành trình công tác, và hành trình trở về, vKt, vct, vKh - tốc độ trung bình của hành trình không tải, của hành trình công tác và của hành tình trở về. Tốc độ chuyển động của dầm ngang của các máy ép hiện đại đ−ợc trình bày ở bảng 1-2. Bảng 1-2 Đặc tính tốc độ của máy ép thuỷ lực (mm/s) Lực ép (MN) >5 <5 <20 Bộ dẫn động có Dạng hành trình Với bộ dẫn động bơm bơm dầu - n−ớc- có bình tích áp không có bình tích áp Tốc độ hành trình công tác 30 - 200 30 – 200 5 - 100 Hành trình không tải và khứ hồi 100 - 300 <500 50 - 500 Thao tác treo dầm ngang nh− sau: mở van để chất lỏng trong thùng chứa nối thông với các xi lanh công tác, trong khi đó, đóng các van thông với xi lanh đẩy về và các xi lanh đẩy về đ−ợc nối thông với nguồn chất lỏng áp suất cao nhờ cách chặn đ−ờng thoát của chất lỏng từ các xi lanh công tác và đóng đ−ờng cấp chất lỏng tới xi lanh công tác khi xi lanh này ở phía d−ới. • Các ph−ơng pháp thao tác hành trình không tải: + Xi lanh công tác và xi lanh khứ hồi đ−ợc nối riêng biệt với thùng chứa, + Xi lanh công tác và xi lanh khứ hồi đ−ợc nối với nhau và nối với thùng chứa, + Cung cấp chất lỏng có áp suất cao vào xi lanh công tác khi chúng ở vị trí d−ới. • Các biện pháp thao tác hành trình công tác: 15
10. + Các xi lanh công tác đ−ợc nối với thùng chất lỏng áp suất cao, còn xi lanh đẩy về đ−ợc nối với thùng chứa, + Các xi lanh công tác và xi lanh khứ hồi đ−ợc nối với nhau và với nguồn chất lỏng áp suất cao, + Các xi lanh công tác đ−ợc nối với nguồn chất lỏng áp suất cao, còn các xi lanh đẩy về đ−ợc nối với bình tích áp. • Các biện pháp thao tác hành trình đẩy về: + Các xi lanh công tác đ−ợc nối với thùng chứa, còn các xi lanh đẩy về đ−ợc nối với nguồn chất lỏng áp suất cao, + Khi xi lanh công tác đ−ợc nối với thùng chứa, các phần chuyển động đi xuống đ−ợc thực hiện d−ới tác động của chính trọng l−ợng của nó. Trong tr−ờng hợp này nên bố trí các xi lanh trở về trên máy ép và hành trình đi xuống thực hiện d−ới tác động của chất lỏng áp suất cao. 16