ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tính toán, thiết kế máy tóp quay.
LỜI NÓI ĐẦU
Trong xu hướng phát triển công ngiệp hiện đại ngày nay, ngành gia
công kim loại băng áp lực càng nổi bật tính tiên tiến và vai trò quan trọng
đặc biệt của mình, nó cho năng suất rất cao mà nền công nghiệp hiện đại
đòi hỏi.
Ngành gia công kim loại bằng áp lực có thể gia công các chi tiết từ
đơn giản đến phức tạp, với độ chính xác khá cao, cơ tính, lý tính tốt và hơn
nữa các chi tiết đều có thể tiến hành gia công được một cách dễ dàng, hiện
nay trong nhiều công việc ngành gia công cắt gọt lại phải chuẩn bị phôi cho
ngành gia công áp lực.
Ở nước ta ngành gia công áp lực (rèn dập) đã có từ lẫu đời, nhưng so
với các nước tiên tiến trên thế giới ngành gia công áp lực (rèn dập) của ta
còn non yếu. Trong nền kinh tế hiện nay của nước ta ngành gia công áp lực
chắc chắn sẽ được Đảng và nhà nước ta chó ý phát triển vì nó là tiền đề của
sản xuất hàng loạt – tính kinh tế cao.
Muốn đẩy mạnh sự phát triển của gia công kim loại bằng áp lực
chúng ta cần phải có đủ thiết bị phục vụ cho nó từ thô sơ đến hiện đại.
Trong thực tế cuộc sống nói chung và trong ngành cơ khí nói riêng có rất
nhiều các chi tiết được chế tạo bằng phương pháp tóp quay hay rèn quay.
Tóp quay (rèn quay) là phương pháp cao tốc (thuộc dạng gia công
kim loại bằng áp lực) chế tạo các chi tiết có tiết diện đối xứng trục thay đổi
từ các phôi ban đầu. Có nhiều dạng khác nhau: dạng trục với một hoặc
nhiều bậc khác nhau, trục côn, trục chính, trục mũ của máy kéo sợi, các loại
kim khâu, nan hoa xe đạp, xe máy, trục đồng hồ…; dạng ống (các ống bằng
vật liệu inox để chế tạo lan can cầu thang, các đồ dùng gia dông trong nhà
như bàn, ghế…), các loại ống có hình dạng phức tạp, kì dị tuỳ theo yêu cầu
sử dụng.
Áp dụng phương pháp tóp quay so với phương pháp tiện có ưu điểm
hơn hẳn: đảm bảo tiết kiệm kim loại một cách đáng kể, giảm số nguyên công
xuống vài lần, nâng cao độ bền và đặc tính cơ lý tốt hơn nhiều.

được sự đóng góp ý kiến của các thày , các cô trong bộ môn cùng các bạn
đồng nghiệp.
Mọi ý kiến đóng góp của đọc giả xin gửi về theo chỉ: Bộ môn Gia
Công Áp Lực phòng 305 – C5 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
Xin chân thành cảm ơn!
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tính toán, thiết kế máy tóp quay.
PhÇn I. LÝ THUYẾT MÁY VÀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG
KIM LOẠI BẰNG TÓP QUAY.
Chương I. SƠ LƯỢC QUÁ TRÌNH TÓP QUAY
1.1 Thực chất quá trình tóp quay .
Qúa trình tóp quay là trạng thái khác nhau của gia công kim loại bằng áp
lực, tạo ra sù thay đổi hình dáng của phôi theo yêu cầu của bản vẽ bằng sự
tác động có chu kỳ của khuôn, khuôn thực hiện chuyển động quay và chuyển
động hướng kính hoặc chỉ chuyển động hướng kính đối với trục phôi. Trong
khi đó phôi có thể cố định hoặc chuyển động quay. Khi sản phẩm có dạng
hình vuông, tam giác và các tiết diện không tròn khác thì phôi đứng yên.
Phôi có thể đặc hoặc rỗng (đa số trường hợp), trục côn, trục vuông .v.v.
tuỳ theo hình dáng sản phẩm chế tạo.
Thời gian từ nhát này tới nhát khác chỉ bằng một phần của giây (đến
3000 nhát hoặc lớn hơn trong một phút)
Trong quá trình tóp thời kỳ làm việc được đặc trưng bằng chu kỳ làm
việc trên trục (khi có tải đến giới hạn bền và khi không tải bằng không).
Quá trình tóp quay được quy về sự biến dạng dẻo phôi bằng sự chuyển
một phần kim loại do sự tác động của nhiều lần áp lực theo chu vi, khi đó
xảy ra sự chảy kim loại dọc theo trục phôi ở hai hướng ngược nhau. Kết quả
do tóp ở tất cả các phía nên phôi giảm được tiết diện ngang và tăng chiều
dài.
Áp dông tóp quay có thể để gia công vật liệu chịu biến dạng dẻo lớn và
cả vật liệu ròn cao. Từ thực tế thấy rằng tóp quay rất tốt đối với hợp kim
nhôm, thép gió, vôn fram, môlipđen, vật liệu gốm và các vật liệu kém dẻo

Hình2. 1- Vòng ôm; 2- Vòng cách; 3- Con lăn; 4- Đầu búa;
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tính toán, thiết kế máy tóp quay.
5- Khuôn; 6- Đệm điều chỉnh; 7- Trục chính; 8- Phôi.
d
1 2 53 4 6 7
d1
8
s
Hình 3. 1- Vòng ôm; 2- Vòng cách; 3- Con lăn; 4- Đầu búa;
5- Khuôn; 6- Đệm điều chỉnh; 7- Trục chính; 8- Phôi.
1 2 3
4 5
7
6
89
d
Hình 4. 1- Vòng ôm; 2- Vòng cách; 3- Con lăn; 4- Đầu búa
5- Đệm điều chỉnh; 6- Khuôn; 7- Phôi; 8- Trục chính; 9- Trục chính trong.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tính toán, thiết kế máy tóp quay.
7
1
2
3 4 5 6
8
s
d
d1
d
Hình 5. 1- Vòng ôm; 2- Vòng cách; 3- Con lăn; 4- Đầu búa
5- Khuôn; 6- Trục chính; 7- Trục chính trong; 8- Phôi.

rỗng, phôi cán nóng và phôi kéo nguội.
Sự tạo hình mặt ngoài nhờ khuôn có hình dáng khoang làm việc tương
ứng với bề mặt đã cho, còn cấu trúc bên trong của chi tiết rỗng, ống nhận
được nhờ trục tâm.
Phần lớn các nguyên công tóp quay được quy về:
1- Nhận được hình dáng côn, vuông, trụ (một hoặc nhiều bậc) cũng
như prôfin phức tạp với phần trụ, côn trên bề mặt trong và ngoài
của sản phẩm.
2- Tạo ra trên trục, ngõng trục hình trụ côn phân bố trên một khoảng
cách nào đó kể từ bề mặt đầu của trục.
3- Tạo đầu nhọn ở cuối sản phẩm.
4- Dập tinh vật liệu thanh.
5- Thực hiện nguyên công lắp ráp.
Trong các nguyên công ta chú đến nguyên công dập tinh vật liệu thanh.
Khi tóp với truyền phôi lớn (một vài m/phút) cho vật liệu thanh cán nóng thì
sự dập tinh (calíp) (trong giới hạn 0,5 ÷ 1 mm trên đường kính) tiến hành
cũng như sự hiệu chỉnh, vì giá thành của vật liệu cán nóng cao hơn dập tinh
và cán nguội nên sự thực hiện dập tinh bằng tóp quay với mức độ đã biết sẽ
giảm giá thành chế tạo sản phẩm.
Đường kính nhỏ nhất có thể đạt được của tóp quay hạn chế bởi kích
thước của rãnh khuôn, không cho phép kim loại đi vào khi nó làm việc. Giới
hạn thấp nhất là φ0,3 ÷ φ0,4 mm, giá trị lớn nhất hạn chế bởi công suất của
máy và phụ thuộc các yếu tố nh: vật liệu sản phẩm, mức độ sản phẩm, mức
độ dập, đặc tính phôi (đặc, rỗng, nóng, nguội). Khi tóp quay phôi đường
kính đến 25 mm với thép thường và thép hợp kim hợp lý là tóp nguội, còn
lớn hơn thì dập nóng.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tính toán, thiết kế máy tóp quay.
Giá trị mức độ biến dạng trong một lần tóp phụ thuộc vào tính chất và
kích thước vật liệu phôi. Việc tăng hàm lượng các bon trong thép sẽ giảm
giá trị tóp. Giá trị tóp trong mét nguyên công đến 40% so với diện tích đầu,

54
10,5
17
46
6,2
- 0,02
- 0,04
-0,04
-0,12
-0,015
-0,055
9 – 10
7 – 8
9 - 10
Máy kiểu con lăn đạt độ chính xác cao hơn máy lệch tâm. Độ bóng của
bề mặt sản phẩm phụ thuộc vào trạng thái của khuôn (độ chính xác kích
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tính toán, thiết kế máy tóp quay.
thước khoang làm việc và độ bóng của nó) và máy, lượng chuyển phôi và
loại phôi, trạng thái gia công (nóng hay nguội) v.v…
Với trạng thái hoàn hảo của khuôn (về độ chính xác kích thước rãnh, độ
bóng bề mặt cao) và máy khi tóp nguội độ bóng bề mặt gia công nhận được
rất cao. Sản phẩm hình trụ d = 4÷20 mm khi gia công hai đầu búa đạt độ
bóng bề mặt
1110
∇÷∇
. Sau khi tóp quay trục từ thép X9C2 với d
1
=
11mm, d = 13mm độ bóng cao hơn mài 2 ÷ 3 cấp. Mài đạt
87

theo hướng trục I – I chịu biến dạng nén theo hướng kính , tại thời điểm này
kim loại theo hướng trục III – III chịu biến dạng kéo theo hướng trục, cứ tiếp
theo như vậy tại một thời điểm nào đó sẽ có một hướng chịu biến dạng kéo
và một hướng chịu biến dạng nén. Vậy mỗi phần thể tích kim loại đều chịu
biến dạng chu kỳ kéo nén. Với sai số không lớn ta có thể lấy sơ đồ với hai
biến dạng nén và một biến dạng kéo. Nhờ sơ đồ nh vậy khi tóp quay có điều
kiện biến dạng dẻo lợi hơn so với rèn và đạt được mức độ biến dạng cao
hơn.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tính toán, thiết kế máy tóp quay.
2 – So với tóp quay: Rèn thường khác là tải trọng va đập còn tóp
quay tính đến số lần tóp đặc biệt lớn tác động lên sản phẩm - áp lực nhanh.
Khi rèn dụng cụ làm việc tác động vào sản phẩm đến khi không tích
trữ được năng lượng động. Còn khi tóp quay còng nh tóp hướng kính bằng
phương pháp dùng vận tốc của dụng cụ (đầu búa) với độ chính xác lớn được
điều khiển bằng chi tiết dẫn động.
Mặt khác lượng kim loại bị biến dạng do đầu đi vào đã xác định chính
xác và tương ứng với yêu cầu của sản phẩm. Cơ bản tác động của máy tác
động con lăn là sự liên hệ động học giữa con lăn, đầu búa, khuôn và phôi.
Tại thời điểm tiếp xúc của khuôn với phôi có vận tốc tích tụ, tính toán vận
tốc này trong hành trình làm việc thay đổi theo đường cong cứng, phụ thuộc
chỉ vào đặc điểm động học của máy mà không phụ thuộc vào đặc tính phôi.
Thực tế thấy thời gian tóp là 0,00103s. Vận tốc chuyển động của
khuôn theo công thức 116 (trang 122 của [I])
0047,0
=
π
n
v
m/s. Máy tay
quay bắt đầu biến dạng v = 0,3 m/s. Hành trình làm việc của khuôn khi tóp

cắt gọt:
1- Đạt tính kinh tế của gia công kim loại do trong quá trình gia
công không có phoi, kinh tế nhất là khi chế tạo các chi tiết
dạng côn chiều dài lớn.
2- Tăng năng suất lên vài lần.
3- Nâng cao độ chính xác gia công và độ bóng bề mặt.
4- Loại trừ sự vận chuyển phôi.
5- Có khả năng tạo chi tiết hình trụ, côn có đường kính nhỏ
nhưng chiều dài lớn vì gia công trên máy tiện rất khó khăn
do võng, uốn gây ôvan. Tóp quay khắc phục uốn vì phôi
được nén đều ở mọi tiết diện.
6- Tăng tính chất cơ học (giới hạn bền, cứng) và cấu trúc kim
loại tốt hơn (có ý nghĩa đặc biệt lớn để tăng tuổi thọ của chi
tiết).
Ta lấy một số ví dụ thực tế:
*) Trục:
- Dùng tóp quay sẽ thay thế hàng loạt nguyên công tiện, mài.
- Thời gian gia công tiết kiệm được 1,797 đến 0,907 phút tức là mỗi
sản phẩm mất 0,8 phút. (giảm hai lần)
- Tiết kiệm kim loại :
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tính toán, thiết kế máy tóp quay.
+ Phôi tiện: φ 19,5 chiều dài l = 309,5mm
+ Phôi tóp: φ 19,5 chiều dài l = 200 mm
Mỗi chi tiết tiết kiệm được 101g hay 14%.
- Độ bền tăng tạo điều kiện giảm nhỏ kích thước: tiện φ19,5 mm còn
tóp quay φ10,5 ÷14,5.
*) Van máy kéo:
- Thay thế hàng loạt nguyên công: tiện, nắn, mài.
- Đạt cấp chính xác 2.
Độ bóng cao hơn khi mài 2÷ 3 cấp

ΙΙ
Ι
2
V
S
l
l
x
ΙΙ
Ι
V
d
1
n
a) b) c)
Hình 9. 1- Phôi; 2 Khuôn dập.
I. Vị trí đầu của khuôn dập; II. Vị trí cuối của khuôn dập.
S – Buớc truyền phôi.

s
tg
dD
l
H
+
−
=
2
2
ϕ

32
==
(hình 9b).
Với
( )
n
sdd
V
cp
4
2
1
2
−
=
π
(2b)
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tính toán, thiết kế máy tóp quay.
Hiện tượng nh vậy sẽ tiếp diễn đến khi nào chiều dài côn của phôi tới
giá trị bằng chiều dài làm việc của khuôn côn tương ứng với n lần nén. Sau
những lần nén đó phôi sẽ kéo dài không chỉ ở phần cuối khuôn chiều dài l
mà ở phần trụ đi một lượng
sl
x
=
nữa (Hình 9c). Sau n lần dập đó có
( )
n
sdd
V

3
.
- β góc giữa O
1
O
2
và O
1
O
3
.
- γ góc giữa O
2
O
3
và O
1
O
3
.
- r bán kính cong của đầu búa.
- R
P
bán kính con lăn.
-
xp
R

bán kính tâm con lăn
-

−=
max
Từ tam giác O
1
O
2
O
3
xác định:
( )
( )
xpp
xpp
RrR
aRrR
+
−++
=
2
cos
22
2
α
(3)
( )
xp
pxp
aR
rRRa
2

.
p
b
R
b
t
a
3
K
6
O
H
B
.
C
O
3
5
r
π
A
4
3
2
O
2
1
7
Hình 10. Đầu búa tiếp xúc với con lăn.
1- Con lăn; 2- Vòng cách; 3- Đầu búa;

β
cosKt
=
(8)
Khi vị trí đầu của búa cao nhất ứng với điểm tiếp xúc A khuôn tách xa
nhất tâm trục và không tiếp xúc với trục phôi, vì vậy ví trí này tương ứng
với giá trị lớn nhất của α và β. Vị trÝ búa thấp nhất ứng với điểm A
n
ứng vị
trí thấp nhất của khuôn, đặc trưng cho kết thúc dập phôi (α = β = 0, γ =
180
0
).
Sự tiếp xúc đầu tiên của bề mặt khuôn và bề mặt phôi (biến dạng đầu)
xẩy ra khi góc
ββαα
<<<<
oo
0&0
(Hình 11).
Đặc tính tạo hình ở tiết diện ngang và khi thay đổi vị trí của khuôn
phụ thuộc vào góc β mà tương quan với phôi khi
g
ks
R
R
(R
K.S
bán kính côn
của khuôn,

1
trên phôi chịu sự thay đổi
hình dáng (phần gạch chéo hình12c). Giá trị β
2
trên hình ứng với vị trí III
của khuôn. Đến cuối quá trình tóp phôi chịu tác dụng nén sẽ biến dạng
1
δ

theo
II
−
và biến dạng kéo
3
δ
theo III – III. Khi đó kích thước phôi theo
trục
IIIIII
−
tăng, còn trục I – I giảm.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tính toán, thiết kế máy tóp quay.
I
I
I
I
III
III
l
0
0

1
I
I
III
III
O
1
K
K
1
π
A
A
III
R
g
b
o
I
I
2
III
R
k
.
s
O
O
O
I

III
R
g
I
s
.
t
g
ϕ
/
2
III
R
k
.
s
O
O
1
I
1
R
κ
O
d + 2s.tg
ϕ
/2
∼
∼ g
β

2
s
.
t
g
ϕ
/
2
II
II
Hình 12. Sù thay đổi hình dạng khi tóp phôi theo tiết diện ngang khi
gks
RR
>
.
a- Vị trí biên bên trên của khuôn dập (khuôn không tiếp xúc với phôi).
b- Khuôn dập bắt đầu tiếp xúc với phôi.
c- Vị trí trung gian khuôn dập trong quá trình biến dạng.
d- Vị trí biên bên dưới của khuôn dập (kết thúc biến dạng).
Biến dạng kim loại kết thúc khi β = 0, ở thời điểm này khuôn ở vị trí
thấp nhất và phôi biến thành hình elíp (gần tròn). Với kích thước theo trục
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tính toán, thiết kế máy tóp quay.
II
−
:
K
da ='
và theo trục III – III :
2/.2'
ϕ

120 ÷ 150
0
, điều đó được xác nhận bằng đặc điểm và giá trị bề mặt mài mòn
của khoang làm việc của khuôn.
Sự tăng góc tiếp xúc giữa bề mặt khuôn và phôi được gây ra bằng sự
chảy kim loại theo hướng vuông góc với hướng làm việc của khuôn.
Sau khi tóp với sự thay đổi vị trí đầu của khuôn đối xứng trục I – I
(ứng với số con lăn) hình dạng elíp của tiết diện được coi là tròn (trong giới
hạn cho phép). Trong khoảng thời gian khuôn làm việc tác động chu kỳ lên
phôi theo hướng trục I – I còng nh III – III do vậy nhận được hình tròn. Khi
gKS
RR
<
và
2/.
ϕ
tgsRR
gKS
−>
sự tiếp xúc của khuôn với phôi ban đầu
xảy ra ở vị trí tiếp giáp đường kính mép khoang làm việc (hình 13a). Khi
khuôn làm việc sự tóp của phôi xảy ra trong vỏ phần tâm của khoang làm
việc mà ở phần mép (hình 13b). Ở thời điểm kết thúc quá trình biến dạng sự
tiếp xúc của khuôn với phôi thực hiện theo toàn bộ mặt của khuôn
(hình13d).
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tính toán, thiết kế máy tóp quay.
O
s
.
t

a) b)
III III
c) d)
III III
III
III
β
π
1
O
O
1
O
I
I
I
d + 2s.tg
ϕ
/2
∼
∼
Κ
β = 0
O
O
1
d
Κ
Hình 13. Sù thay đổi hình dáng tiết diện ngang khi tóp với
2/.

0
. Nh vậy không tạo áp lực
quá tải ở khoang làm việc của khuôn. Biến dạng dẻo tiến hành đồng đều, tạo
khả năng nâng cao độ bền của khuôn (ngăn sự tạo thành ma sát trong máng
làm việc).
Từ trên, chế tạo khuôn với
gKS
RR
<
không thực hiện. Vì vậy việc
nghiên cứu sau này chúng ta áp dụng điều kiện biến dạng kim loại khi
gKS
RR
>
. Trong các điều kiện khảo sát thường coi rằng vị trí con lăn tiếp
xúc với đầu búa không thay đổi. Sự quay của con lăn xung quanh trục chính
(có xảy ra trong đa số trường hợp) không mang lại sự thay đổi nào trong đặc
tính biến dạng của kim loại, chỉ thay đổi góc nghiêng của khuôn với trục
phôi và cường độ biến dạng trong cùng thời gian.
Vì trong trường hợp vị trí con lăn không đổi tâm bề mặt cong của đầu
búa khi trục chính quay đi góc β
S
(hình 14) từ vị trí ban đầu của nó tương
ứng với tiếp xúc ban đầu búa với con lăn và ứng với góc β
0
sẽ tách ra từ trục
phôi một đoạn
'
31
OO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tính toán, thiết kế máy tóp quay.
α
Α
Η
Α
Η
0
π
0
π
s
β
H
s
Ο
2
Ο
2
3
Ο
Ο
3
Ο
3
π
1
Ο
β
β
β

нач
vì đối với phôi
mmd
g
20
=
và
o
11
=
ϕ
, diện tích tiết diện phôi sau khi kết thúc quá trình tóp thứ nhất K
к о н
=0,9989 K
нач
tức là sai sè 0,11% trong thực tế có thể bỏ qua. Sự giảm tiết
diện ngang phôi xảy ra tương ứng trị số truyền và phần côn vào của khoang
làm việc của khuôn.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tính toán, thiết kế máy tóp quay.
1.4.3 Các giai đoạn của quá trình tóp và các thông số cơ bản của quá
trình tóp.
Người ta chia các giai đoạn của quá trình tóp quay :
+ Sự bắt đầu tiếp xúc của đầu búa với con lăn
+ Sự bắt đầu tiếp xúc của khoang làm việc của khuôn với phôi (bắt
đầu tóp).
+ Sự tác động của khuôn lên phôi (quá trình tóp).
+ Ra khỏi sự tiếp xúc của đầu búa với con lăn.
Thông qua mỗi giai đoạn đã chỉ ra ước định các giá trị α, β, К, b,
,. vvK
π

222
KKR
KRKKR
g
kg
−
+−−+
π
ππ
; (9)
;900
1
o
÷=
ψ
(10)
;90
12
ψψ
−=
o
(11)
Bán kính khuôn
π
KRR
ksk
+=
.

(12)

ϕ
tgsRR
gk
−=
(13)
g
R
- bán kính phôi.
π
K
- một nửa chiều dày lớp đệm đặt giữa khuôn khi tạo thành miệng
của chúng (ôvan). Giá trị
π
K
có thể xác định từ điều kiện có góc tiếp xúc
lớn nhất của khuôn với phôi
max
ψ
= 120 ÷ 150
o
khi kết thúc mỗi lần dập.
Với góc đã chỉ ra đảm bảo phân bố ứng suất đều hơn trên tiết diện của phôi,
bảo đảm độ chính xác cao và độ bóng bề mặt cao.
Khi giá trị
max
ψ
> 150
o
do chảy kim loại khó khăn ở hướng ngang nên
xảy ra sù ra sớm của kim loại ra khỏi khuôn, do vậy tạo thành vết xước dọc