Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Máy Cắt Thép Tấm
CHƯƠNG 5:
TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC VÀ KẾT CẤU MÁY
5.1. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC VÀ KẾT CẤU BỘ PHẬN KẸP PHÔI
Bao gồm việc tính lực kẹp cần thiết để giữ phôi cũng như lựa chọn cơ cấu và xác
định các thông số kỹ thuật của các cơ cấu có trong bộ phận kẹp phôi.
5.1.1.Tính toán lực kẹp phôi
5.1.1.1.Xác định lực cắt thép tấm
Khi cắt kim loại bằng dao nghiêng thì lực cắt không nằm trên toàn bộ diện tích
của vật cắt như khi cắt phôi thép bằng dao thẳng song song.
* Xét tỷ số h/b và tg
α
:
+ Nếu h/b > tg
α
thì lực cắt thép tấm được tính theo trường hợp cắt bằng dao
song song. (công thức 3.5) (a)
+ Nếu h/b < tg
α
thì lực cắt được tính theo trường hợp cắt bằng dao nghiêng
(công thức 3.9) (b)
Với :
h: Bề dày thép tấm: h
max
= 20mm.
b: Bề rộng tấm thép: b
max
= 3000mm.

α
: Góc nghiêng của dao:

P
z
2
=
h
ε
2
Dao
τ
τ
τ
α
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Máy Cắt Thép Tấm

2
ε
= (1.2
÷
1.6 )
δ
= Z
2
/h (5.1)
Trong đó:
Z
2
: là đại lượng đặt trưng cho chiều sâu rãnh cắt.
2
ε
: là tỷ số biểu thị độ sâu tương đối của vật cắt, nó phụ thuộc vào độ dẻo

τ
.
2
2
2
2/3
ε
ε
−
−
(5.3)
F =
2
.2
2
.
.2
2
h
tg
ε
ϕ
ε
−
(5.4)
Thay các trị số của công thức (5.3) và (5.4) vào (5.2) ta có:
P
max
= k
1

ε
ta được: giả sử vật liệu cắt là thép CT38, cắt ở trạng thái nguội có
2
ε
= 0,35
k
1
: hệ số phụ thuộc vào độ cứng vật liệu, k
1
= 0,7
÷
0,75 =
b
στ
max
.chọn k
1
= 0,73.
k
2
: Hệ số xét đến ảnh hưởng của độ mòn dao. Khi cắt nguội k
2
= 1,2
÷
1,3, chọn k
2
= 1,25.
k
3
: Hệ số tính đến độ tăng khe hở cạnh dao, cắt nguội k

42
35,02/3
××
−
tg
= 504227 (N)
Vậy: lực cắt lớn nhất là 504227 (N).
Và khoảng cách từ lúc lực cắt P tăng từ 0 đến P
max
= 504227 (N) là :
BF = h/tg
α
= 20/tg4
o
= 286 (mm).
5.1.1.2. Tính lực kẹp phôi
Để khi cắt thép mép cắt được thẳng, vuông góc với phương tấm cắt ta sử dụng
công thức tính lực kẹp Q như sau:
Q = (0,03
÷
0,04) x P. (5.6)
SVTH: Hoàng Văn Thùy – Lớp 03C1C Trang 38
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Máy Cắt Thép Tấm
Trong đó: P : lực cắt của tấm thép, P = 504227 (N).
Suy ra : Q = 0,035 x 504227 = 17648 (N).
Vậy lực kẹp phôi cần thiết khi cắt là Q = 17648 (N).
5.1.2.Tính toán các thông số của bộ phận kẹp phôi
5.1.2.1.Tính kết cấu của lò xo trong cơ cấu kẹp chặt
Theo ở phần phân tích động học của cơ cấu kẹp chặt thì: Kết cấu kẹp gồm một tấm
kim loại có khối lượng m với chiều dài l

thép
.V
Với thép có
ρ
= 7,8kg/dm
3
V = 3000 x 60 x 300 = 54 x 10
6
mm
3
= 54 dm
3
.
Suy ra : m = 7,8 x 54 = 421,2 (kg ).
SVTH: Hoàng Văn Thùy – Lớp 03C1C Trang 39
15
1
0
0
15
2
0
0
4
0
0
5
0
0
6

Ta bắt đầu tính kích thước của lò xo chịu nén với lực tác dụng lớn nhất của một lò
xo là F
lx
= 2253 (N).
5.1.2. 2. Các thông số của bộ phận kẹp phôi
a. Chọn vật liệu và ứng suất cho thép của lò xo
Đối với máy cắt thép tấm có tải trọng lớn, va đập và rung động mạnh do đó vật
liệu làm lò xo cần có tính đàn hồi cao và không thay đổi trong một thời gian dài, do
vậy ta chọn thép silic -mangan có
b
σ
= 1600
÷
1700 MPa(bảng14.1[10])
Suy ra:
[ ]
)(4801600.3,0.3,0 MPa
b
===
στ

b. Chọn tỷ số đường kính
C =
7
d
D
=
Do đó : hệ số kể đến độ tăng ứng suất của lò xo do dây bị uốn cong k là:
k =
2,1

: ứng suất xắn cho phép của thép chế tạo lò xo,
[ ]
τ
= 480 Mpa.
thay số vào ta có:
d
)mm(05,10
480
7.2253.2,1
6,1
=≥

Chọn d = 11 mm
- Đường kính trung bình của lò xo:
D
tb
= d.c = 11.7=77 (mm)
- Đường kính ngoài:
SVTH: Hoàng Văn Thùy – Lớp 03C1C Trang 40
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Máy Cắt Thép Tấm
D
n
= D
tb
+ d = 77+11=88 (mm)
- Đường kính trong:
D
t
= D
tb

4
(N/mm
2
)
C: Hệ số đường kính, C= 7
Thay số vào ta có:
n =
( )
022537.8
11.10.8.265
3
4
−
= 36 (vòng)
e. Xác định các kích thước khác
Tổng số vòng của lò xo:
n
0
= n + (1,5
÷
2) =36 + 2 = 38 vòng
Chiều cao của lò xo khi các vòng sít nhau:
H
s
= (n
0
- 1).d = (36-1).11 = 385 mm
SVTH: Hoàng Văn Thùy – Lớp 03C1C Trang 41
n Tt Nghip Thit K Mỏy Ct Thộp Tm
Bc ca lũ xo khi cha chu ti

3
D
H
0

(sọỳ tay thióỳt kóỳ maùy vaỡ chi tióỳt
maùy)
Cú
6,10
77
817
D
H
0
==
>3, do vy cn phi cú lừi lng bờn trong.
f. Kim nghim ng sut xon cho phộp
[ ]
[ ]


=
2
lx
d.
C.F.k8
(5-11)

0
= 662 mm
Gúc nõng tg

: tg
77.14,3
23
D.
t
tb
=

=
= 0,09513
Chiu di khai trin L =
=


n.
cos
D.
n
5,998536.
5cos
88.14,3
0
=
(mm)
5.2. TNH TON NG LC HC V KT CU CHO B PHN CT
õy l b phn quan trng nht trong mỏy ct, yờu cu ca vic tớnh toỏn ng hc

5.2.1.1. Tính toán, lựa chọn các thông số của Piston-Xilanh
* Tính sơ bộ chiều dài thân xilanh:
Sơ đồ bố trí như hình vẽ:
SVTH: Hoàng Văn Thùy – Lớp 03C1C Trang 43
h
1
c
H
h
2
a
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Máy Cắt Thép Tấm
Hình 5.4. Sơ đồ tính chiều dài thân xilanh.
Đã tính được hành trình dịch chuyển của dao cắt H = 165 mm.
Để quá trình kẹp chặt sảy ra trước thì đầu kẹp phải lắp đặt ở vị trí thấp hơn mũi
dao.
Chọn khoảng cách tương đối đầu kẹp thấp hơn mũi dao là a = 15 mm.
Do đó tổng hành trình dịch chuyển của mũi dao là :
H
1
= H + a = 165 + 15 = 180 (mm)
Trong quá trình cắt do chịu phản lực cắt nên vận tốc cắt thay đổi (lớn nhất khi quá
trình cắt vừa kết thúc), gây va đập cho máy. Vì vậy cần phải giảm chấn cho dao cắt.
Đối với hệ thống dùng piston - xilanh thuỷ lực người ta giảm chấn bằng cách tạo một
lớp dầu còn lại trong xilanh ở đầu hành trình cũng như cuối hành trình của piston, nhờ
sự biến dạng đàn hồi của lớp dầu này sẽ không làm thay đổi đột ngột về lực cũng như
vận tốc của cần piston.
Chọn chiều dày của lớp dầu mà khi thiết kế xilanh để giảm chấn cho cơ cấu là h
1
và h

P = P
c
+ F
max
= 504227 + 13520= 517747 (N)
Vậy: P
ci-xilanh
=
3
P
=
172582
3
517747
=
(N).
SVTH: Hoàng Văn Thùy – Lớp 03C1C Trang 44
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Máy Cắt Thép Tấm
* Lực cần thiết để thắng phụ tải đặt lên xilanh:
Do có ma sát giữa piston và xi lanh, giữa bạc đở và cần piston, lực quán tính của
khối lượng chuyển động, đối áp ở khoang tải…để đặc trưng cho điều này ta có khái
niệm hiệu suất cơ khí:

xilanhct
xilanhci
ck
P
P
−
−

−
(N).
* Chọn kết cấu của xilanh:
* Chọn áp suất làm việc của xilanh:
Chọn áp suất đầu ra của bơm, P
b
= 100 bar(≈ 100 KG/cm
2
).
Áp suất dầu tác dụng lên Piston-Xilanh, được tính như sau:
Từ phương trình cân bằng áp suất trong hệ thống:
P
b
=P
lx
+
∆
p1
+
∆
p2
+
∆
p3
+
∆
p4
+
∆
p5

P
2
= 2,5 bar.

∆
P
3
: Tổn thất áp suất của van tiết lưu điều chỉnh được,
∆
P
3
= 4 bar.
SVTH: Hoàng Văn Thùy – Lớp 03C1C Trang 45
A
A
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Máy Cắt Thép Tấm

∆
P
4
: Tổn thất áp suất của van đảo chiều,
∆
P
4
= 2 bar.

∆
P
5
: Tổn thất áp suất của van 1 chiều,

P
2
xl
xilanhct
==
−
.
* Đường kính trong của xilanh là:
Từ F =
)mm(1595,63172
14,3
18
2
F
2D
4
D
2
≈==
π
=⇒π
Theo tiêu chuẩn chọn: D = 160 mm.
* Đường kính cần của piston:
K =
D.Kd
D
d
=⇒

Do p

.V
c

= 20881.50 = 1044050 ( mm
3
/s).
= 1,04405 dm
3
/s = 62,64 (lít/phút).
* Tính toán sức bền của xilanh:
- Chiều dày thành xilanh:
cD.mt
min
+≥
[7]
c: đại lượng bổ sung cho chiều dày tố thiểu của xilanh có tính đến dung sai gia
công tra [7] ta được c = 1.
m: hệ số tra bảng 5-1[7] khi hệ số an toàn n = 3 ta được m = 0,05.
⇒
t
min

≥
0,05.160 + 1 = 9mm. Chọn t = 10mm.
- Chiều dày của đáy xilanh:
c
kp
d1,0
CF
min

: hệ số độ bền của mối hàn với thép
η
= 0,9.
4,179,0.
3
58
CF
==σ
KG/mm
2
.
⇒

6,241
4,17
100.3,0
180.1,0
min
=+≥δ
mm.
Chọn
25
min
=
δ
mm.
* Vận tốc của đầu dao khi đi lên:
V
lên
=

Với
:8,06,0
÷=µ
Hiệu suất của bơm dầu, chọn
8,0
=µ
)KW(36,32)W(32359
8,0
35,25887
N
ct
===⇒
Do vậy cần phải chọn động cơ dùng để quay bơm dầu thích hợp vừa đảm bảo đủ
công suất cho yêu cầu của quá trình cắt vừa phải có tính năng làm việc phù hợp với
yêu cầu truyền động cho bơm, phù hợp với môi trường bên ngoài, vận hành được an
toàn và ổn định. Hơn nữa chọn công suất động cơ phải phù hợp để đảm bảo tính kinh
tế, hạ giá thành của sản phẩm, tăng hiệu suất của động cơ và kết cấu không cồng kềnh.
Từ những yêu cầu cần thiết đặt ra ta cần chọn động cơ có công suất N
đc
ct
N
≥

Do vậy ta chọn loại động cơ đồng bộ, che kín, có quạt gió loại A02-82-6 có công
suất 40 kw, số vòng quay 1000( v/ph ).
b. Chọn bơm dầu cho hệ thống cung cấp thuỷ lực
Như đã tính, lưu lượng cần thiết cho 1 xilanh khi làm việc là Q
xl
= 62,64 lít/phút,
nhưng trong sơ đồ thuỷ lực ta phân tích thì cần thiết phải dùng 3 xilanh.

Bơm bánh răng là loại bơm dùng rộng rải nhất vì nó có kết cấu đơn giản, dễ chế
tạo đồng thời giá thành lại rẻ hơn các loại bơm khác. Phạm vi sử dụng của bơm bánh
răng chủ yếu ở những hệ thống có áp suất nhỏ trên các máy khoan, doa, bào, phay,
máy tổ hợp,.... Phạm vi áp suất sử dụng của bơm bánh răng hiện nay có thể từ 10 -
200bar (phụ thuộc vào độ chính xác chế tạo).
* Phân loại bơm bánh răng:
Bơm bánh răng gồm có: loại bánh răng ăn khớp ngoài hoặc ăn khớp trong, có thể
là răng thẳng, răng nghiêng hoặc răng chử V.
Loại bánh răng ăn khớp ngoài được dùng rộng rải hơn vì chế tạo dễ hơn, nhưng
bánh răng ăn khớp trong thì có kích thước gọn nhẹ hơn. Ở đây ta chọn loại loại bơm
bánh răng ăn khớp ngoài.
* Nguyên lý làm việc của bơm bánh răng:
SVTH: Hoàng Văn Thùy – Lớp 03C1C Trang 48
Buồng đẩy B
Buồng hút A
Bánh răng chủ
động
Bánh răng bị
động
Thân bơm
n
b
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Máy Cắt Thép Tấm
Hình 5.6. Bơm bánh răng ăn khớp ngoài
Nguyên lý làm việc của bơm bánh răng là thay đổi thể tích: khi thể tích của buồng
hút A tăng, bơm hút dầu, thực hiện chu kỳ hút; và nén khi thể tích giảm, bơm đẩy dầu
ra ở buồng B, thực hiện chu kỳ nén. Nếu như trên đường dầu bị đẩy ra ta đặt một vật
cản (ví dụ như van), dầu bị chặn sẽ tạo nên một áp suất nhất định phụ thuộc vào độ lớn
của sức cản và kết cấu của bơm.
* Kết cấu bơm bánh răng:

==
(mm).
Đường kính ống xả:
63
1.14,3.3
188.2
.10d
x
==
(mm).
Đường kính ống cấp dầu cho mỗi xilanh là:

16
5.14,3.3
64,62.2
.10d
ôxl
==
(mm).
5.2.1.3. Tính các tổn thất về áp suất, lưu lượng trong hệ thống
a. Xác định tổn thất áp suất trên hệ thống
Tổn thất áp suất là sự giảm áp suất do sức cản trên đường đi của dầu từ bơm đến
cơ cấu chấp hành (xi lanh thuỷ lực).Sức cản này chủ yếu được hình thành do chiều dài
ống dẫn, sự thay đổi tiết diện ống dẫn, thay đổi hướng chuyển động cũng như sự thay
đổi của vận tốc chuyển động và độ nhớt của dầu gây nên. Vì vậy tổn thất áp suất có
thể xảy ra ở nhiều bộ phận trong hệ thống thuỷ lực.
Nếu gọi p
0
là áp suất mà bơm cung cấp vào hệ thống, p
1

2
)
Van âiãöu aïp
2,5÷6 (KG/cm
2
)
Van tiãút læu
2÷3,5 (KG/cm
2
)
Van tiãút læu âiãöu
chènh
3÷6 (KG/cm
2
)
SVTH: Hoàng Văn Thùy – Lớp 03C1C Trang 50
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Máy Cắt Thép Tấm
Van giaím aïp
3÷10 (KG/cm
2
)
Van caín
1,5÷2 (KG/cm
2
)
Van an toaìn
2÷3 (KG/cm
2
)
Như vậy đối với sơ đồ thuỷ lực như hình vẽ, ta có các giá trị tổn thất áp suất sau

2
)
(5-13)
∆p
2
=10
-4
.ξ.
g.2
γ
.V
2
(KG/cm
2
).
(5-14)
Trong đó:
γ
: khối lượng riêng của dầu (KG/m3)
g: gia tốc trọng trường g = 9,81(m/s2)
ξ: hệ số tổn thất cục bộ.
Hệ số này trong từng bộ phận của hệ thống thuỷ lực thường được xác định bằng
thực nghiệm. Nó phụ thuộc vào trị số Re, vào nhiệt độ, vận tốc, hướng chuyển động
của dòng dầu và hình dáng tiết diện tại nơi gây ra tổn thất.
Để đơn giản trong quá trình thiết kế, có thể lấy giá trị tổn thất áp suất cục bộ trong
ống dẫn theo công thức sau đây :
∆p
2
= 0,05.p
ct

Trong đó:
σ
: Trị số tổn thất thể tích ( cm3/s)

p
∆
: Tổn thất áp suất trên hệ thống.

p
∆
=
p
∆
1
+
p
∆
2
+
∆
p
3
+
∆
p
4
+.
∆
p
5

3
= 4 bar.

∆
P
4
: Tổn thất áp suất của van đảo chiều,
∆
P
4
= 2 bar.

∆
P
5
: Tổn thất áp suất của van 1 chiều,
∆
P
5
= 1,5 bar.
∆
p
6
: Tổn thất áp suất trên đường ống dẫn dầu,
∆
p
6
= 4.35 bar.
Và
321

)ph/l(5,0q)ph/l(10.608
tt
6
=〈≈
∑
−
.
c. Phân tích chọn loại dầu trong hệ thống
Hệ thống làm việc trong với vận tốc, áp suất và nhiệt độ khá lớn. Trong điều kiện
như thế, để đảm bảo cho các cơ cấu làm việc được bình thường thì dầu dùng trong hệ
thống phải thoả mãn các yêu cầu sau:
+ Phải có tính bôi trơn tốt để đảm nhiệm chức năng bôi trơn các chi tiết máy mà
nó chảy qua .
+ Có chỉ số độ nhớt cao, tức là ít thay đổi theo nhiệt độ.
+ Phải có tính trung hoà đối với tất cả những vật liệu mà nó tiếp xúc, không gây
han rỉ đối với kim loại, không gây hư hỏng đối với các chất sơn, chất nhựa, chất dẻo,...
SVTH: Hoàng Văn Thùy – Lớp 03C1C Trang 52
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Máy Cắt Thép Tấm
+ Có độ nhớt thích hợp với điều kiện che chắn và khe hở của các chi tiết di trượt
nhằm đảm bảo độ dò dầu bé nhất, cũng như tổn thất ma sát ít nhất.
+ Dầu cần phải ít sủi bọt, ít bốc hơi khi làm việc, ít hoà tan nước, có mođun đàn
hồi tỷ nhiệt lớn, dẫn nhiệt tốt, khối lượng riêng nhỏ...
Trong những yêu cầu trên, thì dầu khoáng chất hầu như thoả mãn được đầy đủ
nhất, hiện tại người ta đã chế tạo rất nhiều loại dầu khoáng chất khác nhau cho hệ
thống truyền động bằng dầu ép.
Đối với hệ thống dầu ép mà ta sử dụng có áp suất cao 100 bar, yêu cầu độ rò dầu
thấp, làm việc liên tục trong điều kiện khắc nghiệt, vì vậy ta sử dụng loại dầu có độ
nhớt 60.10
-6
m

Trong đó:
X
o
- biến dạng của lò xo tạo lực căng ban đầu;
C - độ cứng lò xo
F
o
= C.x
o
- lực căng ban đầu
x - biến dạng lò xo khi làm việc (khi có dầu tràn)
SVTH: Hoàng Văn Thùy – Lớp 03C1C Trang 53
Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Máy Cắt Thép Tấm
p
1
- áp suất làm việc của hệ thống
A - diện tích tác động của bi
Kiểu van bi có kết cấu đơn giản nhưng có nhược điểm: không dùng được ở áp
suất cao, làm việc ồn ào. Khi lò xo hỏng, dầu lập tức chảy về bể làm cho áp suất trong
hệ thống giảm đột ngột.
b. Kiểu van con trượt
Hình 5.9. Kết cấu kiểu van con trượt
Giải thích: Dầu vào cửa 1, qua lỗ giảm chấn và vào buồng 3. Nếu như lực do áp
suất dầu tạo nên là F lớn hơn lực điều chỉnh của lò xo F
lx
và trọng lượng G của
pittông, thì pittông sẽ dịch chuyển lên trên, dầu sẽ qua cửa 2 về bể. Lỗ 4 dùng để tháo
dầu rò ở buồng trên ra ngoài.
Ta có: p
1

để ổn
định.
Vì tiết diện A không thay đổi, nên áp suất cần điều chỉnh p
1
chỉ phụ thuộc vào F
lx

của lò xo.
Loại van này có độ giảm chấn cao hơn lọai van bi, nên nó làm việc êm hơn.
Nhược điểm của nó là trong trường hợp lưu lượng lớn với áp suất cao, lò xo phải
có kích thước lớn, do đó làm tăng kích thước chung của van.
c. Van điều chỉnh hai cấp áp suất
Trong van này có 2 lò xo: lò xo 1 tác dụng trực tiếp lên bi cầu và với vít điều
chỉnh, ta có thể điều chỉnh được áp suất cần thiết. Lò xo 2 có tác dụng lên bi trụ (con
trượt), là loại lò xo yếu, chỉ có nhiệm vụ thắng lực ma sát của bi trụ. Tiết diện chảy là
rãnh hình tam giác. Lỗ tiết lưu có đường kính từ 0,8 ÷ 1 mm.
SVTH: Hoàng Văn Thùy – Lớp 03C1C Trang 54
Van tràn
Van an toàn
P
1
P
3
P
2
Lò xo 1
Độ cứng C
1
Lò xo 2
Độ cứng C