Giáo trình Kết cấu hàn

các ngành công nghiệp, trong đó có ngành Công nghệ cơ khí chế tạo nói chung và ngành Công nghệ hàn nói riêng. Xuất phát từ nhu cầu đó, Trƣờng Cao đẳng nghề Cơ điện và Xây dựng Bắc Ninh luôn luôn đi đầu trong việc đổi mới nội dung, phƣơng pháp dạy học, tổ chức biên soạn giáo trình, thiết kế mô hình đồ dùng dạy học, đầu tƣ thiết bị, công nghệ mới nhằm trang bị cho ngƣời học những kiến thức, kỹ năng cơ bản nhất ứng dụng vào cuộc sống. Cuốn giáo trình Kết cấu hàn đƣợc biên soạn dựa trên những luận cứ khoa học, những kinh nghiệm thực tiễn do các nhà khoa học chuyên ngành hàn cung cấp và nằm trong chƣơng trình đào tạo của nhà trƣờng cũng nhƣ chƣơng trình khung của Bộ lao động Thƣơng binh và Xã hội ban hành. Nội dung của giáo trình là tài liệu hữu ích nhất đối với cán bộ quản lý, thiết kế và sản xuất; đặc biệt là đƣợc sử dụng cho giáo viên, học sinh - sinh viên Nhà trƣờng trong lĩnh vực Công nghệ hàn. Tuy nhiên cuốn sách này sẽ không thể tránh khỏi những hạn chế, chúng tôi rất đƣợc sự đóng góp ý kiến của đồng nghiệp. Xin chân thành cảm ơn! 2 Bài 1 - VẬT LIỆU CHẾ TẠO KẾT CẤU HÀN Giới thiệu : Vật liệu chế tạo kết cấu hàn là yếu tố quan trọng quyết định đến chất lƣợng của công trình, và là một yếu tố ảnh hƣởng rất lớn đến các quá trình công nghệ, tính kinh tế của công trình. do vậy việc lựa chọn vật liệu chế tạo kết cấu hợp lý sẽ mang lại tính hiệu quả về kinh tế,kỹ thuật to lớn, đó là tiêu chí quan trọng nhất. Mục tiêu thực hiện : Sau khi học xong bài này ngƣời học sẽ có khả năng : - giải thích đúng tính chất của các loại vật liệu sử dụng để chế tạo kết cấu hàn - Lựa chọn đúng vật liệu chế tạo kết cấu hàn phù hợp với yêu cầu sử dụng Nội dung chính : - Các loại thép.: + Thép các bon thấp. + Thép hợp kim thấp. + Các loại thép không rỉ - Nhôm và hợp kim nhôm. 1. Các loại thép dùng để chế tạo kết cấu hàn : 1.1. Thép các bon thấp : Đây là loại vật liệu đƣợc sử rất nhiều để chế tạo các loại kết cấu hàn, do loại vật liệu này rất dể hàn và mối hàn dể đạt đƣợc chất lƣợng theo yêu cầu mà không cần phải có những biện pháp công nghệ phức tạp nào. Trong thực tế, thép các bon thấp sử dụng để chế tạo kết cấu hàn đƣợc chia ra hai nhóm chính là thép hình và thép tấm, và đƣợc tiêu chuẩn hoá theo Tiêu chuẩn Việt nam (TCVN). Đối với các loại thép này của các nƣớc khác cũng đều đƣợc tiêu chuẩn hoá theo tiêu chuẩn quốc tế. a. Thép hình: - Thép chữ L (thép góc ) : Đây là loại thép hình đƣợc sử dụng rất nhiều để chế tạo các loại kết cấu hàn,thép chữ L thƣờng dùng để chế tạo các loại khung, dàn, hoặc các liên kết khác trong các kết cấu. Từ thép góc ta có thể chế tạo ra các loại hình khác nhau bằng cách ghép các thanh thép góc lại với nhau,ví dụ ghép hai thanh thép góc lại ta sẽ có kết cấu chữ [, hoặc chữ T, nếu ghép 4thanh góc ta sẽ có kết vấu chữ , do vậy đây là loại thép hình có phạm vi sử dụng rất lớn trong thực tế. Thép hình chữ L có 2 loại là L cánh đều và L cánh lệch. + Thép chữ L cạnh đều : Gồm có 67 loại đƣợc qui định trong TCVN 1656-75. Loại nhỏ nhất có kích thƣớc L20  3, nghĩa là mỗi cạnh có kích thƣớc là 20mm,chiều dày có kích thƣớc là 3mm. Loại lớn nhất có kích thƣớc L250  20. Đây là loại thép đƣợc sử dụng rất nhiều để chế tạo kết cấu rất nhiều do tính công nghệ của nó rất cao, trong quá trình gia công ngƣời thợ không cần chú ý 3 đến các cạnh của thanh thép (do cạnh của các thanh đều bằng nhau, chính đây là dặc tính rất ƣu việt của loại thép góc này. + Thép chữ L cạnh không đều : Gồm có 47 loại đƣợc qui định trong tiêu chuẩn TCVN 1657-75. Loại nhỏ nhất là L25163,có nghĩa là cạnh thứ nhất 25mm,cạnh thứ hai 16mm, chiều dày 3mm . Loại lớn nhất có kích thƣớc 250  160  20. Đây là loại thép góc mà hiện nay phạm vi ứng dụng không lớn, do tính công nghệ của thép không cao vì trong quá trình gia công ngƣời thợ cần phải chú ý đến các cạnh của thanh thép (do các cạnh không đều nhau ) dovậy sẽ ảnh hƣởng đến năng suất lao động. Vì vậy khi thiết kế kết cấu cần chú ý đến đặc điểm này để lựa chọn thép góc cho hợp lý. - Thép chữ  : Đây là loại thép đƣợc sử dụng rất nhiều để chế tạo các loại kết cấu chịu uốn , nén . Theo TCVN 1655-75 thép chữ  có 23 loại , chiều cao loại nhỏ nhất là 100mm, loại lớn nhất là 600mm. Ngoài racòn có thêm một số loại đặc biệt ký hiệu có thêm chữ "a" ở phía dƣới. Thép chữ  là loại thép rất khó liên kết với nhau để tạo ra một loại mới. - Thép chữ [: Theo TCVN 1654-75 thép chữ [ có 22 loại , chiều cao loại nhỏ nhất là 50, loại lớn nhất là 400mm ( đây là chiều cao của tiết diện ), ví dụ [ 22 chỉ loại này có chiều cao là h= 220mm. Chiều dài của thép chữ [ từ 4 - 13m.Ngoài ra còn có một số loại đặc biệt thì ký hiệu có thêm chữ "a" phia dƣới, ví dụ thép [ 22 a . Trong thực tế còn có cácloại thép hình khác nhƣ thép ống không hàn đƣợc dùng trong các kết cấu đƣờng dẫn chất lỏng,chất khí. Đối với loại này thƣờng chỉ thực, thép tròn, thép vuông. v.v. cũng thƣờng đƣợc sử dụng. b. Thép tấm: Thép tấm đƣợc dùng rộng rãi vì có tính vạn năng cao, có thể chế tạo ra các loại hình dáng, kích thƣớc bất kỳ, thép tấm đƣợc dùng nhiều trong các loại kết cấu nhƣ vỏ tàu thuỷ, vỏ các bình chứa chất lỏng, bình chƣa khí , các loại bồn chứa,bể chứa, các loại ống dẫn chất lỏng,chất khí . Ngoài ra thép tấm còn đƣợc dùng để chế tạo các loại chi tiết máy. v. v. Trong thực tế thép tấm có qui cách nhƣ sau. - Thép tấm phổ thông : Có chiều dày S = 4- 60 mm ; chiều rộng từ 160 -  1050 mm chiều dài từ 6000-  12000 mm. - Thép tấm dày có chiều dày S= 4 - 160mm ; chiều rộng từ 600 - 3000 mm ; chiều dài từ 4000 - 6000mm. - Thép tấm mỏng có chiều dày S=0,2 - 4mm rộng từ 600- 1400 mm 1.2. Thép hợp kim thấp: Đây là loại thép có tính hàn tốt chỉ đứng sau thép các bon thấp, do có tính hàn tốt cho nên các loại thép hợp kim thấp cũng rất hay đƣợc sử dụng để chế tạo các kêt cấu hàn có yêu cầu độ bền cao hoặc làm việc trong các điều kiện đặc biệt . Thép hợp kim thấp thƣờng đƣợc dùng để chế tạo kết cấu hàn gồm các loại 4 nhƣ thép Măng gan ; thép Crôm-Si líc - Măng gan ; Crôm -Măng gan - Môlipđen. Thép hợp kim thấp gồm các loại thép hình hoặc thép tấm , đƣợc chế tạo theo tiêu chuẩn . 1.3. Thép không rỉ : Đƣợc sử dụng để chế tạo các loại kết cấu hàn làm việc trong những điều kiện đặc biệt, nhƣ làm việc ở điều kiện nhiệt độ cao, làm việc trong điều kiện tiếp xúc với hoá chất, hoặc các thiết bị bảo quản,chế biến thực phẩm , thiết bị dụng cụ y tế .v.v. Phần lớn các loại thiết bị thuộc các loại này thuộc dạng tấm , hiện nay do nhu cầu sử dụng các loại kết cấu đƣợc chế tạo từ thép không rỉ đang rất lớn cho nên rất nhiều các công nghệ gia công kết cấu thếp không rỉ hiện đại đã xuất hiện trong thực tế. Các loại thép không rỉ đƣợc sử dụng nhiều hiện nay đó là Crôm- Ni ken ; Crôm -Ni ken - Bo ; Niken - Môlíp đen - Crôm. Và một số loại thép chịu ăn mòn hoá học, chịu nhiệt, bền nhiệt. 2. Nhôm và hợp kim nhôm : Nhôm và hợp kim nhôm cũng đƣợc ứng dụng nhiều để chế tạo kết cấu hàn. Đặc biệt là hợp kim nhôm đƣợc dùng trong để chế tạo các kết cấu yêu cầu có trọng lƣợng nhỏ, hoặc các kết cấu yêu cầu chống rỉ. Thông thƣờng hợp kim nhôm hay đƣợc dùng nhất là Duya-ra dùng cho các kết cấu đòi hỏi có độ bền nhiệt cao ; còn hợp kim nhôm - ma nhê dùng cho các loại kết cấu nhƣ vỏ tàu loại nhỏ có tốc độ cao, các kết cấu xây dựng, các thùng chứa thực phẩm,chứa thức ăn,chứanƣớc .v.v. Nhôm và hợp kim nhôm thƣờng đƣợc chế tạo ở dạng tấm. 5 Bài 2 - TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN MỐI HÀN Giới thiệu : Độ bền mối hàn là một tiêu chí rất quan trọng trong quá trình thực hiện gia công kết cấu hàn, độ bền mối hàn đãm bảo có nghĩa là kết cấu hàn sẽ thoả mãn điều kiện làm việc với tải trọng đƣợc qui định. Vì vậy yêu cầu của công tác thiết kế, kiểm tra đánh giá độ bền mối hàn là một công việc quan trọng của ngƣời thợ hàn ở trình độ cao. Mục tiêu thực hiện : Sau khi học xong bài này ngƣời học sẽ có khả năng : - Tính đƣợc độ bền kéo,nén, uốn, xoắn của mối hàn - Xác định đƣợc kích thƣớc của mối hàn khi biết đƣợc tải trọng đặt lên kết cấu Nội dung : - Tính độ bền kéo, nén của mối hàn. - Tính độ bền uốn của mối hàn. - Tính độ bền xoắn của mối hàn. 1. Tính độ bền kéo, nén của mối hàn 1.1. Tính độ bền kéo, nén của mối hàn giáp mối : Mối hàn giáp mối là loại mối hàn đƣợc ứng dụng rất nhiều trong các kết cấu hàn, do mối hàn có nhiều ƣu điểm nhƣ tốn ít kim loại cơ bản,ít ứng suất tập trung, công nghệ thực hiện dễ dàng hơn. Domối hàn chịu kéo và chịu nén thì độ bền giống nhau nên ta chỉ cần tính toán, kiểmtra điều kiện bền cho trƣờng hợp chịu kéo là đủ, để kiểm tra điều kiện bền kéo ta xétmột mối ghép hàn giáp mối nhƣ hình 1 : Ta có chiều rộng của tấm nối là B cũng chính là chiều dài cần hàn, chiều dày của chi tiết hànlà S, lực kéo là N. Nhƣ vậy theo lý thuyết bền ta có : Để mối ghép hàn đảm bảo độ bền thì biểu thứcsau phải đƣợc thoả mãn. Ơmax= h F N  [Ơ] k (2-1) trong đó Ơmax là ứng suất lớn nhất sinh ra khi kết cấu chịu lực tác dụng, N là lực tác dụng, F h là diện tích mặt cắt của mối hàn, và đƣợc xác định nhƣ sau : F h = B  S với S là chiều dày chi tiết hàn Nhƣ vậy ta có : Ơmax=   k SB N   (2-2) Từ công thức trên ta suy ra các bài toán cơ bản sau : N N Hình 1: Mối hàn giáp mối 6 - Bài toán 1 : Kiểm tra điều kiện bền kéo theo cƣờng độ, ta dùng công thức (2-2). - Bài toán 2 : Xác định tải trọng, lúc này ta dùng công thức sau. N  B  S  [ơ]k (2-3) - Bài toán 3 :Tính toán các kích thƣớc mối hàn theo công thức sau : B   k S  N   S N B k   (2-4) Và: S   B N k   Trong trƣờng hợp nếu kích thƣớc của kết cấu không thay đổi, nhƣng muốn tăng khả năng chịu tải trọng của kết cấu thì chúng ta thiết kế các mối hàn xiên nhƣ hình 2-2 trên hình vẽ ta có N là lực tác dụng N N B là chiều rộng của tấm nối, còn  là góc vát nghiêng của các chi tiết hàn Nhƣ vậy điều kiện bền của mối hàn lúc này sẽ là : sin . B S N F N h  sin. Từ đó ta có : Ơmax = BS N . sin.  =   K mà  luôn luôn nhỏ hơn 900 cho nên ứng suất tác dụng lúc này bị giảm xuống, do vậy điều kiện bền tăng lên . 1.2. Tính độ bền kéo ( nén ) của mối hàn góc : Khi kiểm tra độ bền cho mối hàn góc ta thực hiện quá trình kiểmmối hàn theo các dạng sau : a- Tính mối hàn đối xứng ngang. Xét mối hàn ngang chịu lực nhƣ hình vẽ 2-3 ta có biểu thức xác địmh độ bền nhƣ sau   h Bh N   ..2 (2-8) Trong đó N là lực tác dụng, h là chiều cao của mối hàn, B là chiều dài đƣờng hàn; b .  s Hình 2-2: mối hàn giáp mối xiên b . S Hình 2-3: Mối hàn đối xứng ngang N N h = [ơ]K Ơmax = 7 do chiều cao của mối hàn h = k.Cosin450 = 0,7 và k = S trƣờng hợp các tấm có chiều dày không bằng nhau, thì k đƣợc chọn theo tấm có chiều dày nhỏ hơn cho nên :   h BS N   ..4,1 (2-9) b - Mối hàn đối xứng dọc : Đối với mối hàn dọc đối xứng hình 2-4 khi chịu lực thì điều kiện bền đƣợc xác định nhƣ sau.   h lh N   ..2 (2-10) trong đó l là chiều dài đƣờng hàn, h là chiều cao mối hàn. Trong trƣờng hợp mối hàn không đối xứng thì kl .50 điều kiện bền đƣợc xác định theo công thứ sau:     h llh N     21 (2-11) 2. Tính độ bền uốn của mối hàn . 2.1. Mối hàn giáp mối chịu uốn : Điều kiện bền đƣợc xác định nhƣ sau h  =   h w M  (2-12) rong đó ơ là ứng suất sinh ra do uốn ; M là mô men uốn, L S w là mô men chống uốn đƣợc tính nhƣ sau : w = 6 . 2 SB   h  và mô men M = 4 .lP thay vào (2-12) biểu thức tính độ bền ta có.  = SB lP . ..6 2  h (2-13) 2.2. Mối hàn góc chịu uốn (hình 2-6) Khi mối hàn góc chịu uốn điều kiện bền đƣợc xác định nhƣ sau :   h Blh M   .. trong đó M là mô men uốn h là chiều cao mối hàn ; l là chiều dài mối hàn cả B P Hình 2-5: mối hàn giáp mối Hình 2-4: Mối hàn đối xứng dọc N 8 2phía, B là chiều cao của tấm hàn. Khi mối hàn mối hàn chịu uốn và kéo hoặc nén thì điều kiện bền đƣợc xác định nhƣ sau :   h lh N w M   . trong đó M là mô men uốn ; N là lự kéo ; w là mô men chống uốn ; h là chiều cao Mmối hàn ; l là tổng chiều dài đƣờng hàn. - Trong trƣờng hợp mối hàn tổng hợp chịu uốn nhƣ hình vẽ 2-7 thì điều kiện bền sẽ là : M   h n nd lh llh M     6 . .. 2 (2-16) khi tính toán ta chọn trƣớc ln cạnh của mối hàn k để xác định mối hàn ld . - Khi mối hàn vừa chịu uốn vừa chịu kéo hoặc nén hình 2-16 thì điều kiện bền sẽ là : 6 . .. . 2 . n dn lh llh M Lh N     h  (2-17) ( L = 2 ld + ln ) 2.3. Mối hàn chịu xoắn Đối với mối hàn chịu xoắn nhƣ hình 2-9 thì điều kiện bền sẽ là :   h x x w M   (2-18) trong đó MX là mô men xoắn ; wX là mô men chống xoắn 2.4. Các ví dụ tính toán : - Ví dụ 1 : Cho mối ghép hàn nhƣ hình vẽ 2-10 biết rằng lực kéo N = 260 KN ;   2/28 cmKN h  vật liệu có S = 8 mm. H ãy xác định chiều dài đƣờng hàn để kết cấu đảm bảo điều kiện bền. l N M Hình 2-6 l n l d Hình 2-7 l . n l d Hình 2-8 M N MX Hình 2-9 9 Bài giải: Từ điều kiện bền của mối hàn giáp mối ta thấy để đảm bảo điều kiện bền thì biểu thức sau phải đƣợc thoả mãn : Fh   h N   mà Fh = S. L. Do vậy : L mm116 28.8,0 260  . Nhƣ vậy để đảm bảo điều kiện bền thì chiều dài của mối Hàn L =  116 mm , cho nên ta chọn tấm thép có chiều rộng B =116 mm. - Ví dụ 2 : cho mối ghép hàn, chịu lực nhƣ hình vẽ, hãy xác định độ bền của mối hàn, nếu vật liệu chế tạo kết cấu là thép các bon thấp có   k  =28KN/cm 2 , N=450KN, S =8mm, B=300mm. Bài giải : Đây là mối hàn đối xứng ngang, do vậy để đảm bảo điều kiện bền thì biểu thức sau phải đƣợc thoả mãn công thức 2-8:   h Bh N   ..2 Trong đó     kh  65,0 thay vào biểu thức trên ta có: 28.65,0 30.2 450  h   h  28.65,0.30.2 450 h  0,48 cm Nhƣ vậy để mối hàn đảm bảo độ bền ta chọn chiều cao mối hàn h = 5mm -Ví dụ 3 : Cho kết cấu hàn chịu lực nhƣ hình vẽ. Hãy kiểm tra điều kiện bền của mối hàn, nếu lực tác dụng P =120 KN, B = 260mm, chiều dày của chi tiết hàn L=.400mm,vật liệu có   228 cm KN k  P S Hình 2-10 N B N N S Hình 2- 11 B 500mm Hình 2-12 10 Bài giải : Để mối hàn đảm bảo điều kiện bền thì phải thoả mãn công thức 2-4:   h u w M   mà     kh  .65,0 Cho nên 28.65,0 .. 50.  BLh P   h cm34,0 28.65,0.28.40 50.120  Nhƣ vậy để đảm bảo điều kiện bền ta chọn mối hàn có chiều cao h= 4 mm 11 Bài 3 - ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN Giới thiệu : Trong quá trình hàn, do nhiệt độ giữa các vùng kim loại chênh lêch nhau rất cao do vậy thƣờng sinh ra ứng suất và biến dạng các ứng suất và biến dạng này làm cho kết cấu hàn giảm khả năng làm việc hoặc không đủ điều kiện để làm việc. Vì vậy trong quá trình hàn ngƣời thợ phải biết đƣợc những nguyên nhân sinh ra ứng suất và biến dạng để có thể hạn chế hoặc triệt tiêu chúng. Mục tiêu thực hiện : Sau khi học xong bài này ngƣời học sẽ có khả năng : -Trình bày đƣợc cáckhái niệm về ứng suất khi hàn,giải thích đƣợc các nguyên nhân gây ra ứng suất khi hàn. - Tính đúng các biến dạng dọc, biến dạng ngang của mối hàn - Xác định đƣợc các biện pháp làm giảm ứng suất, biến dạng sinh ra khi hàn Nội dung chính : - Các khái niệm về ứng suất và biến dạng khi hàn - Tính ứng suất và biến dạng khi hàn giáp mối - Tính ứng suất và biến dạng khi hàn góc. - Các biện pháp giãm ứng suất và biến dạng khi hàn. 1. Các khái niệm về ứng suất và biến dạng khi hàn. 1.1. Nội ứng suất khi hàn : Là ứng suất tồn tại trong mối hàn sau khi đã kết thúc hàn Do nội ứng suất tồn tại mà không có tác dụng của ngoại lực cho nên chúng phải tƣơng ứng cân bằng. Và muốn đảm bảo sự cân bằng thì phải tuân theo các điều kiện cân bằng tĩnh học, nghĩa là : z = 0 ; Mx = 0 ; My= 0 (3-1 ) hay :   . dF = 0 ;   dF. .x = 0 ;   y.dF. = 0 1.2. Phân loại ứng suất: các loại nội ứng suất đƣợc chia làm 3 nhóm nhƣ sau. a- Nhóm 1 : Các ứng suất phụ thuộc nguyên nhân sinh ra nó. - ứng suất nhiệt : Sinh ra do sự nung nóng không đều trên toàn chi tiết - ứng suất dƣ : Là ứng suất còn lại trong vật thể sau khi loại bỏ nguyên nhân sinh ra nó. Đây là loại ứng suất thƣờng gặp nhất . - ứng suất do chuyển biến pha : Do sự biến dạng không đều của chi tiết. 12 Hình 3-1: Mối hàn giáp mối b n b 1 b 2 h S b 0 b - Nhóm 2 : ứng suất sinh ra do sự cân bằng giữa các kích thƣớc, thể tích khác nhau của các phần tử khi liên kết tạo thành vật thể. Bao gồm 3 loại là tổ chức tế vi, tổ chức thô đại, tổ chức siêu tế vi. c - Nhóm 3 : ứng suất theo các hƣớng trong không gian, bao gồm các loại là ứng suất một chiều ( ứng suất đơn ) ; ứng suất hai chiều ( ứng suất mặt ) ; ứng suất 3 chiều ( ứng suất khối ). 1.3. Các biến dạng khi hàn: Trong quá trình hàn do chi tiết hàn bị nung nóng và làm nguội không đều cho nên sẽ phát sinh các biến dạng là biến dạng co dọc của mối hàn và biến dạng co ngang của mối hàn. a- Biến dạng co dọc của mối hàn : Đó là sự thay đổi kích thƣớc chiều dài của mối hàn sau khi hàn. b- Biến dạng co ngang của mối hàn : Đó là sự giảm kích thƣớc của kim loại củamối hàn và vùng lân cận theo phƣơng vuông góc với trục đƣờng hàn, biến dạng co ngang sẽ tạo nên sự cong, vênh của kết cấu hàn hay còn đƣợc gọi là biến dạng góc 2. Tính ứng suất và biến dạng khi hàn giáp mối 2.1. Tính nội lực tác dụng : nội lực tác dụng là nội lực sinh ra trong vùng ứng suất tác dụng, nội lực tác dụng phụ thuộc vào diện tích của vùng có nhiệt độ nóng chảy đến 5500c,vùng này còn gọi là vùng ứng suất tác dụng, nội lực tác dụng đƣợc tính nhƣ sau. P = cT F. (3-2 ) trong đó T  là ứng suất sinh ra khi hàn và theo các giả thuyết trong lý thuyết kết cấu thƣờng chọn bằng giới hạn chảy ; Fc là vùng ứng suất tác dụng khi hàn, vùng này đƣợc xác định nhƣ sau. Fc = b0.S (3- 3 ) trong đó S là chiều dày của chi tết hàn; b0 là chiều rộng của vùng ứng suất tác dụng đƣợc xác định nhƣ sau : 13 b0= b1 + b2 b1 là vùng mối hàn và lân cận bao gồm vùng nóng chảy, vùng chảy dẻo. b2 là vùng kim loại ở trạng thái đàn hồi b1 = c550..c.S.v q.484,0 0 0  (3- 4 ) Trong đó : - q là năng lƣợng hữu ích của nguồn nhiệt q= 0,24.uh. Ih.  (calo/s ) (3- 5 ) ( 75,0 khi hàn hồ quang tay ; 9,0 khi hàn tự động ) - v là vận tốc hàn ( cm / s.) - S0 là chiều dày tính toán của kết cấu hàn . - c là nhiệt dung của kim loại ( calo/ g.0c ) -  là khối lƣợng riêng của kim loại ( g/cm 3 ) Việc xác định b2 phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nhƣ năng lƣợng riêng q0 ; chiều rộng tấm hàn h0 và các thông số khác., b2 có thể đƣợc xác định nhƣ sau : b2= K2.( h - b1 ) trong đó K2 là hệ số phụ thuộc vào q0 và vật liệu chế tạo chi tiết , h là chiều rộng toàn bộ phần ứng suất tính toán, đối với hàn hồ quang tay thì h = 250mm ; đối với hàn tự động thì h = 300  350mm. Thay b1 ; b2 vào biểu thức (3 - 2 ) ta tính đƣợc nội lực tác dụng P. Trong trƣờng hợp nếu hàn 2 tấm có chiều rộng không bằng nhau hình 3-2 thì ta tính toán nhƣ sau : Pc h Pa P = .   Fc =  . ( bna + bnc ). S trong đó bna  bnc 2.2. Tính nội lực phản kháng và ứng suất phản kháng Khi hàn 2 tấm có kích thƣớc khác nhau. hình 3-2. b n a b n c a. c. Hình 3-2: Hai tấm hàn có chiều rộng bằng nhau S 14 a- Nội lực phản kháng ở 2 tấm hàn đƣợc tính nhƣ sau : Pa = 2 .a. S Pc = 2 .c. S trong đó Pa ; Pc là lực phản kháng của tấm hàn 1 và tấm hàn 2 ; a và c là chiều rộng của vùng phản kháng 1 và vùng phản kháng 2 ; S là chiều dày của các tấm b- ứng suất phản kháng đƣợc tính nhƣ sau : Theo nguyên lý cân bằng lực thì : P = Pa + Pc Thay các giá trị của chúng vào ta có:   b0. S = 2 . ( a+ c ).S Từ đó ta có :   0 0ncna 2 bh b. ca bb.        (3- 6 ) 2.3. Tính mô men uốn. Các lực Pa và Pc sẽ tạo ra mô men uốn khi quay quanh tâm của vùng ứng suất tác dụng, các mô men này đƣợc xác định nhƣ sau : Ma = Pa 2 0 ba  ; Mc = Pc 2 0 bc  Vì các mô men này có chiều ngƣợc nhau cho nên : M = Ma - Mc = Pa 2 .. 2 .. 22 0 2 0 2 00 bc Sc ba Sa bc P ba c         Thay giá trị của ứng suất phản kháng vào ta có : M =   0 0 bh2 S.b.    ( a+ b0 + c) ( a- c ) M =     0 bh2 cah.P   (3- 7 ) Từ công thức trên ta nhận thấy rằng nếu c= 0 tức là hàn vào mép tấm, khi đó mô men uốn M có giá trị lớn nhất, khi c = a tức là hàn 2 tấm có kích thƣớc bằng nhau thì mô men uốn M = 0. Nhƣ vậy khi hàn giáp mối những tấm hàn có kích thƣớc bằng nhau thì biến dạng sẽ nhỏ nhất, khi hàn những tấm hàn có kích thƣớc khác nhau thì biến dạng sẽ xảy ra. 2.4. Tính ứng suất uốn. Dƣới tác dụng của mô men uốn M, sẽ sinh ra ứng suất uốn, ứng suất uốn này đƣợc xác định nhƣ sau :     2 0 2u Sh.bh2 cah.P.6 6 h.S M w M    Vậy ta có :          bhh cab3 u ( 3 - 8 ) 15 2.5. Tính độ võng. Độ võng lớn nhất đƣợc xác định theo công thức sau : fmax = J.E.8 l.M 2 ( 3 - 9 ) trong đó M là mô men uốn lớn nhất ; l là chiều dài của chi tiết hàn ; E là mô đun đàn hồi ; J là mô men quán tính đƣợc xác định nhƣ sau : J = 12 h.S 3 thay vào biểu thức tính độ võng ta có. fmax = 3 2 h.S.E.8 l.M.12 = 3 2 h.S.E.2 l.M3 Vậy ta có : fmax = 3 2 h.S.E.2 l.M3 ( cm ) ( 3 - 10 ) 2.6. Các vídụ và bài tập. -Ví dụ 1. Cho kết cấu hàn giáp mối nhƣ hình vẽ. Hãy xác định độ võng của kết cấu sau khi hàn biết rằng vật liệu chế tạo là thép các bon thấp có   = 24 KN/cm 2 ,các kích thƣớc cho trên hình vẽ. S hc bo ha ha = 300mm hc= 250mm S = 6 mm ; l = 1500mm. Bài giải. 1 - Tính chế độ hàn . - Đƣờng kính điện cực hàn : d =  2 S 1 = 4 mm - Tính cƣờng độ dong điện hàn : Ih =  6040  .d = 160  200 chọ Ih= 200(A) - Chọn điện áp hàn : Uh = 30 (v) - Tính vận tốc hàn : Vh = h m5,12 85,7.2,0 200.10 .F I. d hd    ( trong đó d = 10 h.A g ; Fd = 0,2 cm 2 ; 3 cm g 85,7 ) b 2 c b 1 . b 2 a b n a. b n c a. c Hình 3-3 16 - Tính công suất hồ quang : q = 0,24.Ih. Uh.  = 0,24.200.30.0,75=1080cal/s. 2- Tính nội lực tác dụng . P =   S.bb.F. ncnac   . - Tính bna : bna = b1 + b2a. b1 =   550.85,7.16,0.347,0.6,0 1080.484,0 550..c.v.S q.484,0 h 3,62 cm b2a = k2. (ha - b1 ) = 0,224.( 30 - 3,62 ) = 5,91 cm ( k2 đƣợc chọn theo biểu đồ k2 = 0,224 )  bna = 3,62 + 5,91 = 9,53 cm - Tính bnc : bnc = b1 + b2c trong đó b1 đƣợc tính nhƣ trên và có giá trị đúng bằng b1 của tấm c vì vậy ta có b1 = 3,62 cm. b2c = k2 ( hc - b1 ) = 0,224.( 25 - 3,62 ) = 4,79 cm.  bnc = 3,62 + 4,79 = 8,41 cm Thay vào biểu thức tính nội lực tác dụng ta có : P = 24. ( 9,53 + 8,41 ). 0,6 = 258,3 KN 3 - Tính mô men uốn. Từ công thức 3-7 mô men uốn đƣợc tính : M =        93,17552 59,1647,2055.3,258 bh2 cah.P 0      Trong đó: b0 = bna + bnc = 9,53 + 8,41 = 17,93 cm; h = ha + hc = 20 +25 = 55cm a = ha - bna = 30 - 9,53 = 20,47cm; c = hc - bnc = 25 - 8,41 = 16,59cm. Vậy M = 744 KN cm. 4 - Tính ứng suất uốn. ứng suất uốnđƣợc xác định theo công thức 3-8 :     0 0 u bhh cab.3     Thay các giá trị vào biểu thức trên ta có :         93,175555 59,1647,2093,17.24.3 u 3,4 KN/cm 2 5- Tính độ võng: độ võng đƣợc xác định theo công thức 3-10 : f = J.E.8 l.M 2 Trong đó J = 12 55.8,0 12 h.S 33  ; E = 2,1.10 4 KN/cm 2 Thay các giá trị trên vào công thức tính độ võng ta có : 17 f.=  34 2 55.8,0.10.1,2.8 12.150.744 9.10 -3 cm. - Bài tập : Tính độ võng khi hàn đắp có kích thƣớc nhƣ sau : S = 8mm; l = 1500 mm; h.=50 mm; lớp đắp có c = 2mm; vật liệu chế tạo là thép các bon thấp có 2 cm KN24  3. Tính ứng suất và biến dạng khi hàn góc. 3.1. Tính ứng suất và biến dạng khi hàn kết cấu chữ L, hình 3- 4: Khi hàn kết cấu chữ L thƣờng phát sinh ứng suất và biến dạng, các ứng suất và biến dạng đƣợc xác định nhƣ sau. a - Tính lực tác dụng : P = S.b.F. nc   .2 (3- 11 ) ( Vì Fc = 2 bn. S ) b- Tính ứng suất phản kháng : Theo lý thuyết về lực tác dụng và lực phản kháng ta có P = Pk = K2C F.F.   K C 2 F F.    =   n n n n bh b. S.bh.2 S.b.2.       vậy : n n 2 bh b.     ( 3- 12) c- Tính mô men uốn : Mô men uốn đƣợc xác định nhƣ sau. M1 = 2 . 1 hP Trong đó P1 là lực tác dụng lên mỗi tấm, đƣợc xác định nhƣ sau. P1= 2 P Mômen tác dụng là tổng hình học của các mô men nội lực mỗi tấm. M = 2 M1 cos 2  M= 2 cos 22 cos. 2 .2 1  phhp  (3-13) Khi 0 Giốngnhƣ hàn đắp vào mép tấm, lúc này ta có M= 2 ph Khi 0180 giống nhƣ hàngiáp mối nếu 2 tấm bằng nhau,lúc này M=0. ứng suất do mô men uốn sinh ra đƣợc tính nhƣ sau : Hình 3-4 18 w M  Độ võng đƣợc xác định nhƣ sau : f= EJ Ml 8 2 (3-14) trong đó M là mô men uốn, l là chiều dài kết cấu, E là mô dun đàn hồi, J là mô men tĩnh. 3.2. Ứng suất và biến dạng khi hàn kết cấu chữ T. Kết cấu chữ T gồm 2 tấm, một tấm đế và một tấm vách, hàn với nhau bằng 2 mối hàn góc nhƣ hình vẽ 3-5. Vùng ứng suất tác dụng sinh ra đƣợc xác định nhƣ sau : Fc= (2b1+ 2b21 + S2 ) S1 + ( b1 + b22 )S2 +K 2 (3-15) Nội lực tác dụng dọc trục P và ứng suất phản kháng đƣợc xác dịnh nhƣ sau : P= c F.   (3-16) c FF P   2  (3-17) Các lực tác dụng đƣợc biểu diễn nhƣ hình vẽ. Nếu biến do uốn ngang rất nhỏ không đáng kể, lúc này ta có : P = 2P1 + P2 Trong đó : P1là nội lực phản kháng là nội lực phản kháng của tấm đế ,đƣợc xác định nhƣ sau : P1= 1 2 112 2 S S bh n        (3-18) P2 là nội lực phản kháng của tấm vách và đƣợc xác định nhƣ sau : P2 =   2222 Sbh n (3-19) Mô men uốn M của các nội lực tác dụng lên kết cấu là : Hình 3-5 19 M = P2. y2 - 2P1. y1 (3-20) Trong đó y1, y2 là khoảng cách từ các điểm đạt lực phản kháng 2P1 và P2 đến trọng tâm vùng của vùng ứng suất tác dụng, đòng thời điểm đó cũng là điểm đạt của tác dụng P. Nếu kết cấu hàn để tự do trong quá trình hàn thì dƣới tác dụng của mô men uốn M sẽ bị uốn và sẽ sinh ra ứng suất uốn đƣợc xác định nhƣ sau : W M  Do ảnh hƣởng của mô men uốn mà liên kết bị cong sau khi hàn, tạo ra độ võng và độ võng đƣợc xác định nhƣ sau : fmax= EJ lM 8 . 2 (3-21) 4. Các biện pháp giảm ứng suất và biến dạng khi hàn. 4.1. Các biện pháp về kết cấu và công nghệ. Trong quá trình gia công các kết cấu hàn để hạn chế các biến dạng xảy ra khi thiết kế các kết cấu hàn cần chú ý một số vấn đề sau : - Sử dụng vật liệu cơ bản nên dùng các loại vật liệu có tính hàn tốt, có độ dẻo cao. Không nên bố trí các đƣờng hàn giao nhau, cố gắng giảm tối đa các mối hàn góc và thay thế bằng các mối hàn giáp mối. - Khi lắp ghép kết cấu phải tránh những mối hàn đính tạo thành mối ghép cứng, sử dụng đồ gá sao cho khi hàn kim loại có thể tự do co giãn. -Khi hàn càn chú ý một số vấn đề sau : Đối với các tấm đƣợc chế tạo từ các tấm nhỏ, trƣớc hết phải hàn các mối hàn ngang để tạo thành các giải riêng biệt sau đó hàn các giải này với nhau tạo thành tấm lớn. Khi hàn các kết cấu dầm cần hàn các mối hàn nối các tấm đế, tấm vách sau đó mới bắt đầu hàn các mối hàn góc liên kết giữa các tấm đế và tấm vách. Khi hàn các kết cấu thùng chứa bể chứa hình trụ cần hàn các đƣờng hàn dọc của các tấm vòng, sau đó hàn các vòng lại với nhau. Khi hàn nhiều lớp nhiều đƣờng, thì các lớp sau có hƣớng ngƣợc với các lớp hàn trƣớc. 4.2. Các biện pháp khử biến dạng. Trong trƣờng hợp hàn các đƣờng hàn đƣợc bố trí đối xứng nhau thì cùng hàn cả 2 phía đồng thời, nhƣ vậy biến dạng sinh ra, ở cả 2 phía sẽ có chiều ngƣợc nhau, kết quả là chúng sẽ bị triệt tiêu hoặc sẽ bị giảm xuống còn rất nhỏ . Nếu khi hàn một số kết cấu có thể tạo ra đƣợc biến dạng ngƣợc thì cố gắng lắp ghép để khi hàn tạo thành các biến dạng ngƣợc, thông thƣờng hàn các kết cấu tấm dễ thực hiện phƣơng pháp này. 20 4.3. Kẹp chặt chi tiết khi hàn. Chi tiết đƣợc kẹp chặt bằng các loại đồ gá có đủ độ cứng vững để trong quá trình hàn biến dạng sinh ra sẽ bị khống chế cƣỡng bức, sử dụng phƣơng pháp này trong quá trình gia công cần tính đến sự gia tăng nội ứng suất. 4.4. Các phương pháp giảm ứng suất. a- Phƣơng pháp tạo lực ép lên mối hàn : Đây là phƣơng pháp mà sau khi hàn xong ngƣời ta dùng các biện pháp tác dụng lên mối hàn các lực ép đủ lớn để triệt tiêu các ứng suất tồn tại trong mối hàn, cũng có thể thực hiện bằng cách dùng máy cán để cán mối hàn sau khi đã hàn. b- Nung nóng trƣớc khi hàn và trong quá trình hàn : Đây là biện pháp nhằm mục đích làm cho nhiệt sinh ra trong quá trình hàn đƣợc phân bố tƣơng đối đồng đều cho nên ứng suất và biến dạng sinh ra sẽ giảm ở mức tối thiể. Các phƣơng pháp này đƣợc ứng dụng khi hàn những vật liệu có tính hàn kém. Nguồn nhiệt đƣợc sử dụng thông thƣờng dùng dòng điện cao tần, dùng nhiệt của các ngọn lửa khí đốt và một số nguồn nhiệt khác. c- Nung sau khi hàn : Đây là một phƣơng pháp loại bỏ ứng suất tồn tại trong mối hàn sau khi hàn. Có thể dùng các phƣơng pháp ram thấp ở nhiệt độ khoảng 600- 650 0c sau đó giữ nhiệt trong khoảng thời gian từ 2- 3 phút cho 1mm chiều dày chi tiết hàn. Phƣơng pháp này chỉ ứng dụng cho các chi tiết có kích thƣớc nhỏ. d- Nắn, sửa : Nắn sửa kết cấu sau hàn là một phƣơng pháp thông dụng quá trình nắn sửa có thể đƣợc thực hiện bằng cách nắn cơ khí hoặc nắn nhiệt. Nắn cơ khí đƣợc th...liên kết hàn với nhau. Một số thùng có trụ giữa để khung có thể tựa lên đƣợc. Khung gồm các thanh biên trên và các thanh biên dƣới liên kết với nhau tạo thành hình tam giác hoặc hình thang.Thanh biên trên liên kết với vỏ, các thanh biên dƣới tựa lên trụ. Thông thƣờng chiều dày của tấm thép làm vỏ nắp S=2-3mm, các thanh của khung là thép hình chữ [ hoặc chữ I. Các tấm thép làm nắp khi tính toán độ bền coi nhƣ bị ngàm cả chu vi, lấy gần đúng là hình chữ nhật có các cạnh là a và b, ứng suất sinh ra trong tấm sẽ là : 2 2 ..6 s aq   ( 6- 5 ). Trong đó : q : là tự trọng của nắp, trọng lƣợng của ngƣời và thiết bị công tác trên nắp. s : là chiều dày của tấm thép (cm ).  : là hệ số diều chỉnh (  =0,192 khi a=b ;  =0,407khi a= b ) 3.2. Tính các kết cấu bình chứa chất lỏng, chất khí áp suất cao. Các loại bình chứa chất lỏng chất chất khí có áp suất cao, trong quá trình làm việc luôn luôn phải tuân theo một qui trình nghiêm ngặt, bởi vì các loại bình này thƣờng rất dễ xảy ra cháy nổ gây ra hậu quả nghiêm trọng cho ngƣời và trang thiết bị. Do vậy khi tính toán cần phải đảm bảo hệ số an toàn cao. a- Tính chiều dày của bình. Chiều dày của bình có thể đƣợc xác định theo công thức sau : S =   P DP K t  ..200 . + c ( 6-6 ) Trong đó : S là chiều dày bình P là áp suất làm việc của bình Dt là đƣờng kính trong của bình.  là hệ số bền của mối hàn , thƣờng chọn từ 0,7 - 1 c là trị số bổ sung chiều dày, thƣờng chọn c=1,7 ( Do ăn mòn, chiều dày định mức tôn cơ bản, do công nghệ chế tạo). b- Tính chiều dày đáy bình. Hình 6-2: đáy dạng cầu 43 Chiều dày đáy bình đƣợc xác định theo công thức sau : Sd =   c h D PZ DP t t K t   2 . ..400 .  ( 6- 7) Trong đó : P, Dt, c,  K đƣợc chọn nhƣ trong công thức (6-6). Z : là hệ số làm yếu đáy thƣờng chọn nhỏ hơn hoặc bằng 1. ht : là chiều cao của đáy bình. c- Các bình làm việc trong điều kiện dễ gây ra cháy nổ. Đối với các loại bình này khi tính toán thiết kế cũng đƣợc thực hiện giống nhƣ trên. Nhƣng chúng ta cần phải nhân thêm hệ số an toàn, bởi vì theo lý thuyết khi nổ áp suất sẽ tăng từ 10 - 12 lần so với áp suất làm việc. Do vậy khi tính toán ta phải tính tăng áp suất làm việc lên 12 lần. 4. Các ứng dụng tính toán thiết kế. 1- Tính toán các kích thƣớc cơ bản của bình sinh khí có dung tích 40 lít, sản lƣợng khí 2000lit/giờ, áp suất làm việc 1,5 át, vật liệu có   2/20 cmKN K  Hƣớng dẫn tính toán. a- Xác định các kích thƣớc của bình. * Xác định chiều cao của bình . Với các loại bình sinh khí loại nhỏ, ta có thể chọn trƣớc chiều cao của bình, chiều cao bình có thể chọn trong giới hạn sau : h = 500  650 (mm). Nhƣ vậy theo giới hạn này ta có thể chọn chiều cao bình h= 500 mm . * Tính đƣờng kính của bình. Đƣờng kính của bình đƣợc tính nhƣ sau : V= h D t . 4 . 2  Thay các giá trị vào biểu thức trên ta có. cmdm h V D t 322,3 5.14,3 40.4 . 4   Vậy đƣờng kính trong của bình Dt= 320 mm. b - Tính chiều dày của bình. Theo công thức ( 6-6 ) ta có : S=   mmc P DP K t 27,1 5,120.7,0.200 320.5,1 ..200 .     44 Vậy ta có thể chọn S = 2,5 - 3 (mm) để đãm bảo điều kiện bền. c- Tính chiều dày đáy bình. Chiều dày đáy bình đƣợc xác định theo công thức (6-7) nhƣ sau : Sd =   c h D PZ DP t t K t   .2..400 .  Thay các giá trị vào biểu thức trên ta có : Sd = mm27,1 65.2 320 . 5,120.1.400 320.5,1   Để đảm bảo điều kiện bền ta chọn Sd = 2,5 - 3 (mm) 2- Kiểm tra độ bền của bình dập lửa tạt ngƣợc. Biết rằng đƣờng kính trong của bình dt = 60mm. a- Tính áp suất khi nổ Khi nổ áp suất đƣợc xác định nhƣ sau : Pn = 12 ( P + 1) - 1 Thay các giá trị vào ta có áp suất khi nổ sẽ là : Pn = 12. ( 1,5 + 1 ) - 1 = 29 KG/cm 2 b- Tính chiều dày của bình. Chiều dày bình đƣợc xác định theo công thức : Snl =   c P dP nK tn   ..200 . Thay các giá trị vào biểu thức trên ta có : Snl = mm27,1 2920.1.200 60.29   Để đảm bảo độ bền ta chọn Snl = 3mm. 45 Bài 7 - KẾT CẤU DÀN Giới thiệu : Dàn là một loại kết cấu đƣợc sử dụng rất nhiều trong các nghành kỹ thuật, đặc biệt trong công nghiệp xây dựng, giao thông, chế tạo thiết bị nâng hạ, các công trình điện, công trình viễn thông.v.v. Mục tiêu thực hiện : Sau khi học xong bài này ngƣời học sẽ có khả năng : - Trình bày đúng các khái niệm về dàn, giải thích đƣợc các trạng thái chịu tải trọng của dàn, phân biệt đúng các loại dàn đƣợc sử dụng trong thực tế. - Tính toán thiết kế các phần tử của các dàn thông dụng đúng yêu cầu. Nội dung : - Khái niệm về kết cấu dàn. - Phân loại và các trạng thái làm việc của dàn. - Tính toán thiết kế dàn. - Các ứng dụng tính toán thiết kế dàn. 1. Khái niệm về dàn. Dàn là một hệ thống các thanh liên kết với nhau ở các đầu mút bằng các khớp bản lề, bất biến về hình dáng khi chịu tác dụng của tải trọng. Hệ thống đƣợc xem là bất biến về hình dáng hình học là hệ thống mà khi chịu tải trọng thì các điểm của nó có chuyển vị song khi bỏ tải trọng thì các điểm đó trở về vị trí ban đầu, nghĩa là hệ thống đó làm việc ở trạng thái đàn hồi. Các dàn liên kết bằng hàn không phải là dàn bản lề, nhƣng thực nghiệm chứng tỏ rằng sự phân bố ứng lực trong các thanh của dàn hàn không khác nhau nhiều so với các dàn bản lề - bu lông. Vì vậy các dàn hàn đƣợc xem nhƣ là một hệ thống bản lề và việc tính toán thiết kế đƣợc thực hiên nhƣ hệ thống dàn liên kết bằng bu lông - bản lề. Cấu trúc của dàn gồm có các phần tử nhƣ sau : Thanh biên trên, thanh biên dƣới, thanh chống, thanh giằng, liên kết giữa các phần tử với nhau đƣợc gọi là nút dàn. Kết cấu dàn đƣợc thể hiện nhƣ hình vẽ sau : 2. Phân loại và các trạng thái làm việc của dàn. Dàn đƣợc phân loại theo công dụng, theo kết cấu tổ hợp của nó, trong kỹ thuật dàn đƣợc xem là hợp lý nhất là dàn thoả mãn đƣợc các điều kiện nhƣ kết cấu Hình 7.1: Kết cấu dàn 46 hợp lý nhất, trọng lƣợng nhỏ nhất, chế tạo dễ dàng nhất. Kết cấu dàn đƣợc chia ra các loại nhƣ sau : 2.1. Dàn kèo nhà. Dàn kèo nhà bao gồm dàn kèo nhà dân dụng, dàn kèo nhà công nghiệp. a- Dàn kèo nhà dân dụng. Dàn kèo nhà dân dụng thƣờng có dạng nhƣ sau. Đây là loại dàn có yêu cầu khả năng chịu tải trọng không lớn lắm, dàn gồm các thanh biên trên, thanh biên dƣới, các thanh giằng, thanh chống, tất cả các thanh đƣợc liên kết với nhau bằng các nút. Nút đế đƣợc đạt ở hai đầu dàn làm nhiệm vụ vừa liên kết với các phần tử của dàn vừa làm nhiệm vụ liên kết giữa dàn với các trụ. Nút đỉnh là nút ở vị trí trên cùng của dàn, làm nhiệm vụ liên kết các thanh biên trên, thanh chống. Nút giữa là nút có nhiều phần tử liên kết nhất, nút này ở vị trí chính giữa thanh biên dƣới. Các nút còn lại đƣợc gọi là nút trung gian. Dàn kèo nhà dân dụng có yêu cầu sau : Khoảng cách giữa các nút d = 2-3m ; Tỷ lệ giữa chiều cao và chiều dài của dàn là 14 1 12 1  l h . b- Dàn kèo nhà công nghiệp. Dàn kèo nhà công nghiệp có dạng nhƣ hình 7-3. Đối với loại dàn kèo nhà công nghiệp có nhịp lớn, ngƣời ta thƣờng dùng loại thanh chống cứng. Độ dài của mỗi khung của dàn d=1,5 – 3,0 m, tye số giữa độ cao và chiều dài l đƣợc chọn trong khoảng 14 1 10 1  l h Các thanh của dàn có thể là thanh đơn hoặc thanh kép. Hình 7.2: dàn kèo nhà dân dụng Hình 7.3: Dàn kèo nhà công nghiệp d l h 47 2.2. Các dàn cần trục: Thƣờng có dạng nhƣ hình 7-3. Khi làm việc các xe tời chuyển động ở các thanh biên, trên khoảng cách các nút d=1,5-2,5m, tỷ số giữa chiều cao và chiều dài 18 1 10 1  l h tỷ số này đƣợc xác định bởi yeu cầu về độ cứng. Tỷ số này càng lớn thì độ lớn độ cứng, độ võng khi chịu tác động của tải càng nhỏ. Trong thực tế khi cần tăng tỷ số trên thì ta phảI tăng chiều cao h, mà tăng chiều cao h thì phảI phụ thuộc vào chiều cao của xƣởng, bởi vậy khi tính toán thiết kế cầu trục cần phảI quan tâm đến kết cấu của xƣởng cần lắp đặt cầu trục. 2.3. Dàn cầu. Dàn cầu là loại dàn luôn chịu tảI trọng lớn, do vậy cần có độ cứng cao, nhƣng yêu cầu độ cứng của khung cũng lớn hơn nhiều. Phần lớn các dàn cầu có d=3-4m, tỷ số giữa chiều cao và chiều dài 8 1 5 1  l h . Trong thực tế rất nhiều dàn phẳng đƣợc liên kết với nhau tạo thành các hệ dàn không gian, các dàn phẳng liên kết với nhau bằng các thanh giằng dọc và thanh giằng ngang. 3. Tính toán thiết kế dàn 3.1. Tính tải trọng và ứng suất trong các thanh của dàn. a) tính tải trọng. Các tải trọngđặt lên dàn bao gồm các lực tập trung, lực phân bố, các mô men uốn.v.v. - Tính các phản lực tại các gối đỡ, dùng phƣơng trình cân bằng tĩnh học để tính các phản lực tại các gối đỡ.    ;0;0 BM AM Hình 7-4 - Tính mô men uốn lớn nhất MMax =  Mi B) Tính nội lực trong các thanh của dàn Hình 7.3: Dàn cần trục 48 Để xác định đƣợc nọi lực trong thanh của dàn ta dùng phƣơng pháp mặt cắt, nhƣng trƣ\ớc đó cần xác định xem dàn thuộc loại nào, đối xứng hay không đối xứng, nếu đối xứng ta chỉ cần xét một nửa dàn, nửa còn lại lấy đối xứng tƣơng ứng cho từng phần tử. Nếu dàn không đối xứng thì phải tính toán cho toàn bộ dàn. - Dùng mặt cắt để cắt dàn, lập phƣơng trình cân bằng cho phan fdàn bị cắt nhƣ sau:   0Y - GiảI phƣơng trình cân bằng đã thành lập để xác định nội lực trong các phần tử của dàn. 3.2. Xác định tiết diện ngang các thanh của dàn. Thanh biên chịu nén phảI có diện tích mặt cắt ngang đƣợc xác định theo công thức sau:    .K YC N F  (7-1) Trong đó: FYC là diện tích yêu cầu của mặt cắt ngang. N là nội lực tính toán. : là hệ số uốn dọc, hệ số này đƣợc ƣớc chọn trƣớc. Sau khi chọn đƣợc FYC ta tiến hành xác định mặt cắt hợp lý, tính lại F, kiểm tra bền theo công thức sau:     K N     . (7-2) Nừu các thanh đƣợc hàn với nhau thì cạnh của mối hàn đƣợc xác định theo công thức sau: K=(0,4-0,6) (7-3) Ƣng suất sinh ra trong mối hàn đƣợc xác định theo công thức: KJ SQ .7,0.2. .  (7-4) Trong đó: Q: lực ngang ở thanh S: Mô men tĩnh của thanh J: Mô men quán tính của thanh biên lấy đối với trọng tâm mặt cắt ngang. Đối với những dàn chịu kéo thƣờng đƣợc chế tạo cùng một loại vật liệu nhƣ thanh biên chịu nén , đƣợc tính theo công thức sau: 49   .K YC N F   (7-5) c- Tính tiết diện thanh giằng và thanh trụ. Các loại thanh giằng, thanh trụ của dàn thƣờng đƣợc chọn giống nhƣ các thanh biên.Với loại thanh chịu kéo thì:   .K YC N F   (7-6). Đối với thanh chịu nén thì:     K N     . (7-7) Trong đó =0,4-0,7 Để tính toán thiết kế đƣợc đơn giản ta chọn thanh giằng, thanh trụ có tiết diện nhƣ sau. Khi tính toán độ bền thì chỉ cần kiểm tra bền cho các thanh chịu nén, còn thanh chịu kéo thƣờng là thỏa nãm bền. Các mối hàn thƣờng chọn cùng kích thƣớc bằng k=(0,4-0,6).S 3.3. Tính toán và thiết kế nút dàn. a- Tính nút đế; Nút đế là nút vừa làm nhiệm vụ liên kết các phần tử của dàn vừa làm nhiệm vụ liên kết giữa dàn với các kết cấu khác. Nút đế gồm các chi tiết nhƣ sau: Tấm đế, kích thƣớc của tấm đế đủ để liên kết đƣợc với các kết cấu khác, trên mặt đế có khoan các lỗ để lắp ghép bulông với các kết cấu khác, các lỗ này có thể là hình tròn hoặc hình elíp tùy theo yêu cầu. Ngoài ra còn có tấm vách dọc, tấm cvách ngang để liên kết các thanh trụ, thanh biên, thanh giằng. Kết cấu của nút nhƣ hình vẽ: - Tính kích thƣớc của tấm đế: Kích thƣớc tấm đế phảI đủ lớn để ghép với các kết cấu mà dàn liên kết, thông thƣờng kích thƣớc của tấm đế lấy bằng kích thƣớc của mặt cắt ngang của trụ liên kết. - Tính kích thƣớc của tấm vách dọc: Tấm vách dọc có chiều dài bằng chiều dài của tấm đế, chiều cao của tấm vách dọc đƣợc xác định tùy thuộc vào chiều dài của đƣờng hàn các thanh trụ, thanh giằng, chiều dài mối hàn đƣợc xác định theo công thức sau: Hình 7-2: Kết cáu nút đế 50   h K N L ..7,0  (7-8) Tấm vách ngang: Tấm vách ngang bao gồm hai tấm đặt vuông góc với tấm vách dọc nhƣ hình vẽ. Chiều rộng của tấm vách ngang bằng chiều cao của tấm đế. b- Tính nút đỉnh. Nút đỉnh là nút trên cùng của dàn, chỉ có ở các dàn nhà công nghiệp hoặc dàn kèo nhà dân dụng, nút làm nhiệm vụ liên kết các thanh biên trên, thanh chống và trong một số trƣờng hợp có liên quan với thanh giằng. Nút đỉnh thƣờng chỉ một tấm có hình ngũ giác trong đó có 2 cạnh dài và 3 cạnh ngắn, hai cạnh dài để liên kết các thanh biên, chiều dài các cạnh này phụ thuộc chiều dài đƣơcngf hàn tính toán giữa tthanh biên trên với nút đỉnh và góc đỉnh của của dàn. Chiều dài đỉnh. Chiều dài đƣờng hàn này tính toán nhƣ công thức (7-8). c- Tính các nút trung gian: Nút trung gian thƣờng là nút liên kết giữa các thanh trụ, thanh giằng và thanh biên. Nút trung gian thƣờng chỉ có hai lích thƣớc là chiều dài và chiều rộng, các kích thƣớc này phụ thuộc vào chiều dài đƣờng hàn liên kết giữa thanh trụ, thanh giằng, chiều dài các đƣờng hàn này tính theo công thức (7-8). 4- Nối các thanh biên. Trong quá trình gia công, do yêu cầu thiết kế nhiều khi chiều dài vật liệu chế tạo thanh biên không đủ lớn do vậy cần phải nối các thanh biên kông đủ lớn do vậy cần phải nối các thanh biên. Các thanh biên có thể đƣợc nối giáp mối, nối thẳng hoặc giáp mối xiên, trong những trƣờng hợp chịu lực lớn có thể sử dụng các tấm đệm ở phía trong hoặc phía ngoài. Việc tính toán kiểm tra các mối hàn đƣợc thực hiện giống nhƣ những phần trƣớc 4. Tính toán ứng dụng Kết cấu chịu tảI trọng nhƣ hình 7-4. Hãy tính toán thiết kế dàn làm việc bảo đảm an toàn. Cho trƣớc các số liệu sau: d=2,5m; l=10m; vật liệu có []=28KN/cm2. Hình 7-3: Các mối nối thanh biên P1=20KN P2=30KN P3=40KN P2=30KN P1=20KN Hình 7-4 51 Hƣớng dẫn tính toán: a- Các giá trị ban đầu: - Tính phản lực tại gói đỡ: Do dàn chịu các tảI trọng đối xứng cho nên ta có: KNVV BA 70 2 140  Vì dàn làm việc đối xứng cho nên khi tính toán ta chỉ càn tính cho một nửa dàn sau đó lấy đói xứng tƣơng ứng các phần tử của dàn. - Tính ứng suất []h Theo lý thuyết bền ta có công thức tính ứng suất cho phép nhƣ sau: []h=0,5[]K=0,5.28=14KN/cm 2 - Tính chiều cao của dàn. Để xác định chiều cao của dàn ta chọn tỷ lệ mh l h 1 10 1  . - Xác định góc  là góc hợp bởi giữa các thanh biên trên và thanh biên dƣới. Góc này đƣợc xác định nhƣ sau: 03,112.0 5,2.2 1 2   d h tg b- Tính ứng lực trong các thanh của dàn. Do dàn đối xứng cho nên ta có thể dùng 2 mặt cắt 1-1 và 2-2 để xác định ứng lực trong các thanh của dàn, các mặt cắt đƣợc thể hiện trên hiình vẽ. Quá trình tính toán đƣợc thực hiện nhƣ sau. - Lập điều kiện cân bằng tại mặt cắt 1-1. Ta có phƣơng trình cân bằng nhƣ sau: M1=d.P2+2dP1+hcos.S3+hS2-2dVB=0 (1) MY= d.P2+2dP1-2dVB- hcos.S1=0 (2) MA= d.P2+2dsin.S1=0 (3) P1 P2 1 S1 S2 S3 VB Hình 7-5: ứng lực của dầm 52 Giải phƣơng trình (2) ta có KN h dVdPdP S A 5,178 3,11cos.1 70.5,2.220.5,2.230.5,2 cos 22 0 12 1       Giải phƣơng trình (3) ta có KN d Pd S 6,75 3,11sin.5,2.2 30.5,2 sin2 . 0 2 3   Thay S3 vào phƣơng trình (1) ta có: KN h hdPdPdV S B 250 1 6,75.92,0.130.530.5,270.5,2.2cos22 12 2       Lập điều kiện cân bằng tại mặt cắt 2-2 ta có phƣơng trình cân bằng nhƣ sau: M2= VA.d-P1d-S5.(1/2).h=0 M2= VAd+S4(h/2)cos-P1d=0 Giải phƣơng trình (4) ta có: KN h S 250 2 5,2.205,2.70 5    Giải phƣơng trình (5) ta có: KNS 225 2 92,0.1 5,2.705,2.20 4    - Để xác định nội lực trong các thanh chống của dàn ta dùng phƣơng pháp tách nút, các nút tách là nút đỉnh, nút trung gian, sau khi tách nút ta thành lập các phƣơng trình cân bằng: +) Tách nút đỉnh: Lập phƣơng trình cân bằng P1 2 S4 S3 VA 2 Hình 7-6 P3 S1 S1 S6 Hình 7-7 53 Y=-P3-2S1sin-S6=0 GiảI phƣơng trình (6) ta có: S6=-40-2.(-178,5).0,16=30KN Tách nút trung gian, Hình 7-8 Y=-P2-S7-Ssin-S3sin+Ssin=0 GiảI phƣơng trình (7) ta có: S7=S1sin-P2-S4sin-S3sin S7=-178,5.0,16-30+255+75,6.0,16=6KN c- Tính toán nặt cắt ngang cho các phần tử của dàn. Diện tích mặt cắt ngang của các phần tử của dàn đƣợc xác định nhƣ sau: - Tính mặt cắt ngang của thanh biên chịu kéo.   2 93,8 28 250 cm N F K YC   - Tính thanh biên chịu nén:   2 16 5,0.28 250 . cm N F K YC   - Tính các thanh giằng, thanh trụ. Các thanh giằng, thanh trụ đƣợc chọn cùng một kích thƣớc nhƣ nhau, để thuận lợi cho quá trình gia công. Việc tính toán đƣợc thực hiện theo công thức sau:   2max 4,5 5,0.28 6,75 . cm S F K YC   ở đây khi tính toán ta chọn thanh giằng hoặc thanh chống có ứng lực lớn nhất để tính tiết diện ngang cho tất cả các thanh. d- Xác định số hiệu mặt cắt ngang của các phần tử. Các phần tử chế tạo dàn kèo nhà trên hầu hết đƣợc dùng các loại thép góc L, do vậy ở đây ta tra bảng trong các sổ tay vật liệu cơ khí hoặc trong các giáo trình sức bền vật liệu để xác định số hiệu các loại thép L. - Đối với thanh biên chịu nén ta dùng L 100.100.10 P2 S1 S3 S7 S4 Hình 7-8 54 - Đối với thanh biên chịu nén ta dùng L 70.70.7 - Đối với thanh giằng thanh trụ ta dùng L 63.63.6 e- Tính độ bền mối hàn. - Chiều dàu mối hàn các thah giằng đƣợc xác định theo công thức.   cm K N L h 4,19 14.4,0.7,0 6,75 ..7,0   Ta chọn chiều dài L=20cm. Do thanh giằng thanh trụ đƣợc bố trí 2 mối hàn do vậy chiều dài này đƣợc xác định nhƣ sau. cmL cmLL 61420 1420.7,0.7,0 2 1   (DO thép góc khi chịu tác dụng của lực kéo hoặc nén thì sẽ phân bố không đều ở 2 phía, ở phía gần góc vuông, tức là phía gần tâm hơn, lực tác dụng sẽ lớn hơn và đƣợc tính là N1=0,7N - Chiều dài mối hàn giữa tấm nối đỉnh với thanh biên dƣới đƣợc xác tính nhƣ sau:   cm K N L h 30 14.6,0.7,0 5,178 ..7,0   - Chiều dài mối hàn giữa tấm nói với thanh biên dƣới đƣợc xác định nhƣ sau:   cm S K q L h 84,17 14.6,0.7,0 cos.2 ..7,0.2 3    (q là lực tổng hợp khi chiếu trục X, chính là lực gây ra kéo thanh biên dƣới) - Chiều dài mối hàn giữa thanh biên và nút đế. Chiều dài mối hàn giữa thanh biên và nút đến đƣợc tính theo công thức:   cm K S L h 5,37 14.6,0.7,0 225 ..7,0 4   - Chiều dài mối hàn giữa thanh biên dƣới và nút đế.   cm K S L h 7,41 14.6,0.7,0 250 ..7,0 5   Nhƣng do đƣợc hàn hai phía cho nên chiều dài các đƣờng hàn số: L1=0,7L=0,7.41,7=29,2cm L2= 41,7-29,2=12,5cm 55 Bài 8 - CƠ SỞ THIẾT KẾ ĐỒ GÁ HÀN Giới thiệu : Để gia công chi tiết, điều đầu tiên chúng ta phải cố định đƣợc chi tiết, khống chế nó theo phƣơng nào, dựa trên nguyên tắc nào. Đó là điều mà trong nội dung bài này đề cập đến. Có thể nói quy trình thiết kế đồ gá là bƣớc thứ hai sau khi đã lựa chọn phƣơng án thiết kế công nghệ gia công. ở nội dung bài này cho chúng ta biết đƣợc mối quan hệ đó và cách tính sai số khi gá đặt. Mục tiêu thực hiện : Sau khi học xong bài học này ngƣời học sẽ có khả năng: - Giải thích nguyên tắc sáu bậc tự do để định vị phôi, quan hệ giữa thiết kế công nghệ và thiết kế đồ gá gia công. - Vận dụng đúng đồ định vị theo nguyên tắc 6 điểm. - Trình bày các thành phần chính của đồ gá hàn. - Giải thích đƣợc sai số gá đặt phôi trên đồ gá hàn. Nội dung chính : - Nguyên tắc sáu bậc tự do. - Quan hệ giữa thiết kế công nghệ và thiết kế đồ gá hàn. - Sai số gá đặt trên đồ gá gia công. 1. Nguyên tắc 6 bậc tự do. Trong không gian 3 chiều, một vật rắn đƣợc xác định bởi 6 bậc tự do chuyển động, đó là OZ OY ________ ,, ____ OX và không gian đề các - Khi tịnh tiến khối lập phƣơng tiếp xúc mặt phẳng xoy khi đó khối lập phƣơng bị khống chế chuển động. + Tịnh tiến theo phƣơng oz Hình 8-1 X hình 8-1 biểu diễn các bậc tự do của vật rắn trong 56 + Quay quanh phƣơng oy + Quay quanh phƣơng ox - Tịnh tiến khối lập phƣơng tiếp xúc mặt phẳng yoz khi đó khối lập phƣơng bị khống chế chuyển động. + Tịnh tiến theo phƣơng ox + Quay quanh phƣơng oy + Quay quanh phƣơng oz - Tịnh tiến khối lập phƣơng tiếp xúc mặt phẳng xoz khi đó khối lập phƣơng bị khống chế chuyển động. + Tịnh tiến theo phƣơng oy + Quay quanh phƣơng ox + Quay quanh phƣơng oz Vậy khi tiếp xúc cả ba mặt đồng nghĩa một góc nào đó của khối lập phƣơng trùng với gốc tọa độ O thì khối lập phƣơng bị khống chế 6 bậc tự do. + Tịnh tiến theo : ox, oy, oz + Quay quanh : ox, oy , oz Từ phân tích trên nếu vật rắn là một chi tiết gia công, muốn xác định vị trí của chi tiết trong quá trình định vị thì chi tiết đó cũng phải khống chế 6 bậc tự do khi đặt nó trong hệ tọa độ Đề các, nghĩa là. + Tịnh tiến theo 3 phƣơng : ox, oy, oz + Quay quanh 3 phƣơng : ox, oy , oz Tuy nhiên trong số những bậc tự do bị khống chế đó có số bậc tự do khống chế hơn một lần. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là hiện tƣợng siêu định vị. Trƣờng hợp này không cho phép thực hiện trong quá trình gá đặt chi tiết. Điều lƣu ý trong quá trình định vị chi tiết không phải lúc nào cũng cần định vị đủ 6 bậc tự do, mà tùy theo yêu cầu gia công, số bậc tự do có thể là từ 1 đến 6. Hình 8-2 biểu diễn một số cơ cấu định vị. - Mặt phẳng tƣơng đƣơng 3 điểm( Khống chế 3 bậc tự do ) - Đƣờng thẳng tƣơng đƣơng 2 điểm( Khống chế 2 bậc tự do ) - Khối V dài tƣơng đƣơng 4 điểm( Khống chế 2 bậc tự do ) - Khối V ngắn tƣơng đƣơng 2 điểm( Khống chế 2 bậc tự do ) - Chốt trụ dài tƣơng đƣơng 4 điểm( Khống chế 4bậc tự do ) - Chốt trụ ngắn tƣơng đƣơng 2 điểm( Khống chế 4 bậc tự do ) - Chốt trám tƣơng đƣơng 1 điểm( Khống chế 1 bậc tự do ) - Hai mũi tâm tƣơng đƣơng 5 điểm( Khống chế 5 bậc tự do ) 57 - Mâm cặp 3 chấu tự định tâm tƣơng đƣơng 4 điểm( Khống chế 4 bậc tự do) khi kẹp dài L/D>1,5, tƣơng đƣơng 2 điểm khi kẹp ngắn L/D<1. a. Khối V dài khống chế 4 bậc tự do b. Khối V ngắn khống chế 2 bậc tự do c. Chốt trụ dài khống chế 4 bậc tự do d. Chốt trụ ngắn khống chế 2 bậc tự do e. Định vị bằng hai mũi tâm khống chế 5 bậc tự do Mũi tâm truơc cố định Hình 8-2: Các cơ cấu định vị phôi 58 f. Mâm cặp 3 chấu tự định tâm khống chế 4 bậc tự do * Ví dụ trƣờng hợp siêu định vị nhƣ hình 8-3 : - Mặt A chốt trụ dài định vị 4 bậc tự do - Mặt B mặt phẳng có 3 bậc tự do Vậy khi định vi chi tiết số bậc tự do đƣợc khống chế tối đa là 6 bậc 2. Quan hệ giữa thiết kế công nghệ và thiết kế đồ gá hàn. Thiết kế công nghệ là bƣớc đầu tiên cơ sở để thiết kế đồ gá. Nhà công nghệ thiết kế quy trình gia công chi tiết hàn sau đó thiết kế các đồ gá chuyên dùng. Sau khi thiết kế quá trình công nghệ phải lập tất cả quá trình gia công, lập sơ đồ gá đặt. Để thiết kế đồ gá nhà thiết kế phải có các tài liệu ban đầu cho quá trình thiết kế bao gồm : + Bản vẽ chi tiết với đầy đủ các yêu cầu + Sơ đồ gá đặt các nguyên công cần thiết kế đồ gá + Quy trình công nghệ gia công chi tiết + Thuyết minh của máy có đồ gá đƣợc thiết kế Trƣớc khi thiết kế đồ gá nhà thiết kế nên tuân thủ theo các trình tự thiết kế sau: Nghiên cứu bản vẽ chi tiết cũng nhƣ các yêu cầu kỹ thuật Nghiên cứu công nghệ gia công chi tiết Nghiên cứu sơ đồ gá đặt của các nguyên công cần thiết kế đồ gá Đƣa ra một vài phƣơng án và từ đó so sánh phƣơng án tối ƣu Hình 8-3: Gá đặt siêu định vị 59 Thiết kế các cơ cấu của đồ gá 3. Sai số gá đặt trên đồ gá gia công. Một trong những yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác gia công là sai số gá đặt chi tiết. Sai số này đƣợc xác định bằng công thức sau : dgKCCgd  Trong đó : C - là sai số chuẩn kc - là sai số kẹp chặt đg - là sai số đồ gá Có thể xác định sai số gá đặt theo công thức : 2 dg 2 kc 2 c  Chúng ta lần lƣợt xác định từng sai số trong quá trình gá đặt chi tiết. 3.1. Tính sai số kẹp chặt. Sai số kẹp chặt là lƣợng chuyển vị của gốc kích thƣớc trên phƣơng kích thƣớc thực hiện do lực kẹp thay đổi gây ra. Sai số lực kẹp đƣợc xác định theo công thức : k = ( yMax - yMin ). cos Trong đó :  - góc hợp bởi phƣơng kích thƣớc thực hiện và phƣơng dịch chuyển y của chuẩn gốc yMax , yMin - Lƣợng dịch chuyển lớn nhất và nhỏ nhất của chuẩn gốc khi lực kẹp thay đổi + Sự dịch chuyển của chuẩn gốc là do lực kẹp làm biến dạng bề mặt chi tiết dùng để định vị. Ví dụ : Biến dạng tiếp xúc của chốt tỳ của đồ gá với bề mặt chi tiết gia công. - Quan hệ giữa lực kẹp và chuyển vị khi gá chi tiết trên đồ gá - Ví dụ về sai số do lực kẹp gây ra : lực kẹp thay đổi từ Wmin đến WMax ; phôi dịch chuyển yMin đến yMax ; kích thƣớc gia công thay đổi Hmin đến HMax . Hình 8-5 Hình 8-4: Gá đặt siêu định vị a) b) 60 3.2. Tính sai số đồ gá Tính sai số đồ gá theo công thức sau : tdmctdg  Trong đó : ct - sai số chế tạo đồ gá m - sai số mòn khi sử dụng đồ gá ( phụ thuộc vào các yếu tố kết cấu, vật liệu, kích thƣớc, trọng lƣợng và tình trạng tiếp xúc) lđ - sai số lắp đặt trên máy 3.3. Tính sai số chuẩn * Sai số chuẩn hình thành từ chuẩn thiết kế và chuẩn cộng nghệ không trùng nhau. Và khi chuẩn định vị không trùng với gốc kích thƣớc sẻ sinh ra sai số chuẩn. Ví dụ : Yêu cầu gia công kích thƣớc 100 sai lệch cho phép là +0.01 (hình 8-6) Vấn đề đặt ra gia công mặt nào trƣớc mặt nào sau nếu gia công mặt A trƣớc hƣớng công nghệ đi từ mặt A sang mặt B do đó về mặt công nghệ điều quan trọng là chuẩn định vị và gốc kích thƣớc có trùng nhau không. dH Hình 8-5: Sai số gá kẹp Hình 8-6: Sai số chuẩn 61 Sai số chuẩn sinh ra khi chuẩn định vị không trùng với kích thƣớc ( cB = H ) * Kích thƣớc cần đạt đƣợc khi gia công là khâu khép kín của chuổi kích thƣớc công nghệ, các khâu của chuổi có thể là những kích thƣớc thay đổi. L = (a1, a2, ...an ; x1,x2,xn) Trong đó : x1,x2,xn - Những kích thƣớc thay đổi a1, a2, ..an - Những kích thƣớc không thay đổi Vậy khi tính sai số chuẩn một kích thƣớc nào đó (CL) tức là xác định lƣợng biến động của kích thƣớc. Gọi kích thƣớc gia công là L sai lẹch biến đổi L. n n 3 3 2 2 1 1 x x ...........x x x x x x L              Hay : i n 1i i x x L       Khi xác định L thƣờng dùng hai phƣơng pháp để xác định là phƣơng pháp cực đại, cực tiểu và phƣơng pháp xác suất + Phƣơng pháp cực đại, cực tiểu Sử dụng phƣơng pháp này khi độ chính xác gia công không cao, thƣờng dùng trong sản xuất đơn chiếc hoặc loạt nhỏ. Đầu tiên lập chuổi kích thƣớc công nghệ cho kích thƣớc cần tính sai số chuẩn L. CL = i n 1i i x x L       Khi lập chuổi công nghệ cần theo nguyên tắc sau bắt đầu từ mặt gia công đến mặt chuẩn định vị sau đó đến chuẩn đo lƣờng ( gốc kích thƣớc ) rồi trở về mặt gia công + Phƣơng pháp xác suất : Sử dụng khi yêu cầu độ chính xác gia công cao, thông thƣờng cho sản xuất hàng loạt, hàng khối. Độ chính xác cao hơn phƣơng pháp cực đại, cực tiểu. Theo phƣơng pháp này sai số xác định nhƣ sau:             n 1i 2 xi 2 i 2 i CL K x .K Ki - Hệ số phụ thuộc vào quy luật phân bố của kích thƣớc ở trong chuổi (Ki = 11.5) 62 Bài 9 - ĐỒ ĐỊNH VỊ Giới thiệu : Chi tiết gia công có hình thù rất khác nhau và phức tạp tuỳ vào yêu cầu của từng loại hình chi tiết máy móc, nhƣ vậy rõ ràng đồ định vị cũng vậy rất nhiều. Chính vì vậy mà nhiệm vụ của chúng ta là ứng với từng chi tiết, nhóm chi tiết đó lựa chọn đồ định vị nào cho phù hợp.Trong phạm vi bài học này sẽ giới thiệu cho ngƣời học các loại đồ định vị và ứng dụng các đồ định vị này trong trƣờng hợp cụ thể, tƣơng ứng với biên dạng chi tiết gia công và mặt chuẩn định vị của chúng. Mục tiêu thực hiện : Sau khi học xong bài học này ngƣời học sẽ có khả năng: Chọn bề mặt chuẩn để định vị khi biết hình dáng và chất lƣợng bề mặt của các chi tiết gia công. Trình bày các loại đồ định vị thƣờng dùng để gá đặt chi tiết gia công. Chọn đồ định vị phù hợp với chuẩn gia công. Nội dung chính : - Đồ định vị khi chuẩn là mặt phẳng. - Đồ định vị khi chuẩn là mặt trụ ngoài. - Đồ định vị khi chuẩn là mặt trụ trong. - Đồ định vị khi chuẩn là hai lỗ tâm. 1. Đồ định vị khi chuẩn là mặt phẳng. Khi mặt chuẩn là mặt phẳng thông thƣờng chúng ta dùng chốt tỳ và phiến tỳ để định vị trong hai loại này có các dạng sau ( chốt tỳ cố định, phiến tỳ, chốt tỳ điều chỉnh, chốt tỳ tự lựa, chốt tỳ phụ ) 1.1 Chốt tỳ cố định. Chốt tỳ cố định có các loại sau: (bảng 9) Bảng 9 các loại chốt tỳ TT Tên gọi ÄCông dụng Hình vẽ 1 Chốt tỳ đầu phẳng Dùng để định vị mặt phẳng đả qua gia công 63 2 Chốt tỳ đầu chỏm cầu Dùng để định vị mặt phẳng thô chƣa qua gia công 3 Chốt tỳ đầu khía nhám Dùng để định vị mặt phẳng thô chƣa qua gia công, đặc biệt là các bề mặt cạnh - Các chốt tỳ đƣợc lắp chặt với thân đồ gá - Thông thƣờng tạo điều kiện thuận lợi cho việc thay thế các chốt tỳ khi chúng bị mòn ta phải lắp các bạc trung gian - Các kích thƣớc của chốt tỳ thƣờng nằm trong giới hạn là: (d = 324 mm; D = 540 mm; H = 2  20 mm; L = 9  70 mm) 1.2 Phiến tỳ: Có các loại phiến tỳ sau: Phiến tỳ phẳng, phiến tỳ có bậc, phiến tỳ có rãnh nghiêng (hình 9-1). Các phiến tỳ đƣợc bắt vào đồ gá bằng các vít M6; M8; M10 các thông số kích thƣớc của phiến tỳ đƣợc liên hệ nhƣ sau: B=1235mm; B1 = (1.5 2) ; L = 40210 mm; H = 8 25 mm b=922mm; d = (6 13) ; d1 = 8.520 mm; C = 10 35 mm; C1 = 2060 mm; h = 4 13 mm. Khoảng cách giữa các lỗ có dung sai 0.1mm. Hình 9-1: Phiến tỳ 64 1.3. Chốt tỳ điều chỉnh. - Thƣờng đƣợc dùng trong các trƣờng hợp sau : - Dung sai của phôI thay đổi nhiều . - Lƣợng dƣ của phôI không đều. - Lƣợng dƣ của bề mặt chuẩn cần đƣợc hớt đI ở các nguyên công tiếp theo . - Bề mặt làm chuẩn có sai số hình dáng 1.4. Chốt tỳ ...c dụng của lực nếu chi tiết không đƣợc kẹp chặt . Vì vậy kẹp chặt là công việc tiếp theo sau định vị, có tác dụng giữ cho chi tiết gia công không bị xê xịch do tác dụng của ngoại lực hoặc trọng lƣợng chi tiết. Kẹp chặt đƣợc thực hiện nhờ các cơ cấu kẹp chặt. Ngoài các cơ cấu kẹp chặt chính, có khi dùng cơ cấu kẹp chặt bổ sung nhằm tăng độ cứng vững của hệ thống công nghệ. Do đó nâng cao năng suất và độ chính xác gia công. Các cơ cấu kẹp chặt còn đƣợc dùng để đảm bảo gá đặt chính xác và định tâm chi tiết gia công. Trong trƣờng hợp này chúng đóng vai trò cơ cấu định vị- kẹp chặt. Trong thực tế đôi khi cũng không cần kẹp chặt và đồ kẹp chặt khi khối lƣợng chi tiết lớn mà ngoại lực nhỏ 1.2. Yêu cầu đối với cơ cấu kẹp chặt Các cơ cấu kẹp chặt cần thoả mãn những yêu cầu chính sau đây: Không đƣợc phá hỏng vị trí đã định vị chi tiết Lực kẹp phảI đủ để chi tiết không bị xê dịch do ngoại lực hay trọng lực của bản thân chi tiết gây ra, đồng thời lực kẹp không đƣợc quá lớn để tránh tình trạng biến dạng chi tiết . 69 Lực kẹp phải ổn định, đặc biệt khi kẹp nhiều chi tiết trên đồ gá nhiều vị trí Thao tác nhanh nhẹ nhàng và an toàn và không tốn sức Kết cấu phải nhỏ, gọn, tạo thành một khối để bảo quản và sửa chữa dễ dàng 2. Phương pháp tính lực kẹp Lực kẹp là cở sở để thiết kế ( hoặc chọn) các cơ cấu kẹp chặt, việc tính lực kẹp đƣợc coi là gần đúng trong điều kiện chi tiết gia công ở trạng tháI cân bằng tính dƣới tác dụng của ngoại lực nhƣ : lực kẹp, phản lực của mặt tỳ, lực ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc, lực cắt và trọng lƣợng của bản thân . Trong thực tế lực tác dụng không ổn định, lực ma sát củng không ổn định( do các bề mặt tiếp xúc không ổn định). Do đó lực kẹp cũng không ổn định. Để xác định lực kẹp đƣợc thực hiện theo các bƣớc sau đây: Lập sơ đồ gá đặt chi tiết gia công( Sơ đồ định vị và kẹp chặt), xác định phƣơng, chiều và điểm đặt của lực kẹp, lực cắt, lực ma sát và phản lực của lực tỳ, trong một số trƣờng hợp cần tính lực ly tâm và trọng lƣợng của chi tiết. Viết phƣơng trình cân bằng của chi tiết dƣói tác dụng của tất cả các lực nhƣ lực cắt, lực kẹp, lực ma sát, lực ly tâm, phản lực của mặt tỳ và trọng lƣợng của chi tiết. Đƣa hệ số an toàn K vào phƣơng trình cân bằng nói trên. Hệ số K nhằm mục đích đảm bảo an toàn cho cơ cấu kẹp chặt trong trƣờng hợp lực cắt thay đổ i (Lực cắt tăng do nhiều nguyên nhân khác nhau). Hệ số an toàn K trong từng điều kiện gia công cụ thể đƣợc xác định nhƣ sau : K = Ko.( K1. K2. K3. K4. K5. K6) Trong đó : Ko - Hệ số an toàn trong tất cả các trƣờng hợp gia công ( Ko = 1.5) K1 - Hệ số làm tăng lực cắt khi lƣợng dƣ gia công và độ nhám bề mặt không đồng đều ( gia công thô K1 = 1.2; gia công tinh K1 = 1) K2 - Hệ số làm tăng lực cắt khi dao bị mòn ( K2 = 1-8) K3 -Hệ số làm tăng lực cắt khi gia công gián đoạn ( K3 = 1.3) K4 - Hệ số tính đến sai số của cơ cấu kẹp chặt (kẹp chặt bằng tay K4 = 1.3; kẹp chặt bằng cơ khí K4 = 1) K5 - Hệ số tính đến mức độ thuận lợi của cơ cấu kẹp bằng tay (kẹp thuận lợi K5 = 1; kẹp không thuận lợi K5 =1.2) K6 - Hệ số tính đến mô men làm quay chi tiết ( định vị trên các chốt tỳ: K6 = 1 ; Định vị trên các phiến tỳ : K6 = 1.5) Từ phƣơng trình cân bằng lực xác định lực cần thiết . Dựa vào lực kẹp tính toán các cơ cấu kẹp chặt của đồ gá , xác định lực kẹp nhỏ nhất cho phép có ý nghĩa rất quan trọng khi sử dụng cơ cấu sinh lực băng hơi ép và dầu ép, vì nó ảnh hƣởng trực tiếp đến kích thƣớc, trọng lƣợng và giá thành 70 của cơ cấu kẹp chặt, Cơ cấu kẹp chặt phảI đƣợc thiết kế trên cơ sở sử dụng tối đa các chi tiết tiêu chuẩn và các đơn vị lắp ráp. Và đối với từng phƣơng pháp gia công cụ thể có cách tính tƣơng ứng. 3. Một số cơ cấu kẹp chặt thông dụng. Cơ cấu kẹp chặt của đồ gá đƣợc sử dụng để kẹp chặt và tháo kẹp chi tiết gia công, cơ cấu kẹp chặt phảI đảm bảo cho chi tiết có vị trí cố định trên đồ gá và không có xê xịch trong quá trình gia công . Cơ cấu kẹp chặt đƣợc chia ra : Cơ cấu kẹp chặt đơn giản và cơ cấu kẹp chặt tổ hợp. Cơ cấu kẹp chặt đơn giản đƣợc cấu tạo gồm một cơ cấu kẹp, ví dụ nhƣ kẹp chặt bằng chêm, bằng ren vít, bằng bánh kẹp lệch tâm vv..vv Cơ cấu kẹp chặt tổ hợp đƣợc cấu thành từ nhiều cơ cấu đơn giản, ví dụ nhƣ cơ cấu ren vít bánh lệch tâm-tay đòn. Tuỳ thuộc vào số lƣợng thanh truyền mà cơ cấu kẹp chặt đƣợc chia ra - Cơ cấu kẹp chặt một thanh truyền hay một mỏ kẹp. Cơ cấu kẹp chặt nhiều thanh truyền hay nhiều mỏ kẹp Tuỳ thuộc vào nguồn sinh lực kẹp chặt mà cơ cấu kẹp chặt đƣợc chia ra : Cơ cấu kẹp chặt bằng tay Cơ cấu kẹp chặt bằng cơ khí hoá Cơ cấu kẹp chặt tự động 3.1 Kẹp chặt bằng chêm. Cơ cấu kẹp chặt bằng chêm đƣợc sử dụng rỗng rải trong thực tế sản xuất. Chêm là một chi tiết kẹp chặt có hai mặt làm việc không song song với nhau, Khi đóng chêm vào thì mặt nghiêng của chêm tạo ra lực kẹp. Trong quá trình làm việc nhờ lực ma sát ở hai mặt làm việc mà chêm không tụt ra đƣợc, hiện tƣợng này gọi là hiện tƣợng tự hảm của chêm. (hình 9-8) Nhƣợc đIúm của chêm là lực kẹp có hạn, do đó nó thƣờng đƣợc dùng trong sản xuất nhỏ hoặc trong các phân xƣởng sửa chửa. Tuy nhiên chêm đƣợc dùng phối hợp với các cơ cấu khác nhƣ hơI ép, dầu ép, đòn bẩy... Vì hành trình của chêm thẳng và kết cấu đơn giản. Vật gia công Đòn bẩy Chêm Hình 9-8: Kẹp bằng chêm 71 3.2. Kẹp chặt bằng ren vít. Kẹp chặt bằng ren vít thƣờng dùng rỗng rãi trong sản xuất hàng loạt, hàng loạt nhỏ và đơn chiếc, ƣu điểm của ren vít là đơn giản lực kẹp lớn và khả năng tự hãm cao. Nhƣợc điểm của ren vít là phảI quay nhiều vòng khi kẹp chặt cũng nhƣ khi tháo kẹp chi tiết gia công, cho nên năng suất thấp, lực kẹp không ổn định và có khả năng làm xê dịch chi tiết do lực ma sát ở đầu ren vít. Ren vít đƣợc dùng để kẹp chi tiết bằng tay hoặc kẹp chặt chi tiết trên đồ gá cơ khí hoá và kẹp chặt chi tiết trên vệ tinh trên đƣờng day tự động, Cơ cấu kẹp chặt ren vít có một số chi tiết sau: (hình 9-9) 1. Bu lông (Theo tiêu chuẩn thông thƣờng từ M 5- M25, chiều dài l = 20- 40mm 2. Đai ốc 3. Miếng đệm 4. Bạc lót 3.3. Kẹp chặt phối hợp bằng ren vít- đòn. Trong nhiều trƣờng hợp ngƣời ta không dùng ren vít để kẹp trực tiếp lên vật gia công mà thông qua đòn kẹp để tạo ra lực kẹp. Đòn kẹp đƣợc dùng cho các trƣờng hợp sau: - Kết cấu của đồ gá không cho phép dùng ren vít để kẹp trực tiếp lên chi tiết gia công mà phải kẹp từ xa . - Khi cần phóng đại lực kẹp Hình 9-8: Kẹp chặt bằng ren vít a) ren vít đầu tròn 1 với tay quay 2. b) ren vít đầu phẳng 1 với tay quay 2. c) Ren vít với miếng đệm 1 và tay quay 2 72 3.4. Kẹp chặt bằng bánh lệch tâm. Bánh lệch tâm là chi tiết dạng đĩa hoặc trục có tâm quay không trùng với tâm hình học của bề mặt làm việc, do đó khi quay bán kính cong tăng dần để kẹp chặt chi tiết. Kẹp chặt bằng bánh lệch tâm có ƣu điểm sau: (hình 9-12). - Kẹp nhanh (do hành trình ngắn ) - Kết cấu đơn giản, không cần các thiết bị phụ trợ Tuy nhiên kẹp chặt bằng bánh lệch tâm có nhƣợc điểm sau: - Lực kẹp yếu - Tính vạn năng kém hơn so với kẹp bằng ren vít - Tính tự hãm cũng kém hơn so với kẹp bằng ren vít Vật liệu chế tạo bánh lệch tâm thông thƣờng là Y7A; 20X có thấm các bon. Kẹp chặt bằng bánh lệch tâm đƣợc dùng khi có ít rung động và không cần lực kẹp lớn - Hình 9-12: Kẹp chặt bằng bánh lệch tâm - đai ốc. - phiến tỳ - chi tiết gia công - mỏ kẹp - bulông - bánh lệch tâm - chi tiết đệm của bánh lệch tâm Hình9-11: Cơ cấu kẹp bằng ren vít-đòn (a) và sơ đồ tác dụng lực khi kẹp chặt (b). 1.thân đồ gá;2.phiến tỳ; 3. chi tiết giacông; 4. đầu bu lông; 5. đầu bu lông kẹp; 6. dòn kep; 7. lò xo Hình9-11: Cơ cấu kẹp bằng ren vít-đòn (a) và sơ đồ tác dụng lực khi kẹp chặt (b). 1.đòn kẹp; 2. chốt tỳ điều chỉnh; 3. chi tiết gia công; 4. đai ốc 73 3.5. Kẹp chặt bằng thanh truyền Thanh truyền là một cơ cấu dùng để phóng đại lực kẹp trong đồ gá cơ khí hóa nhằm giảm sức lao động của công nhân, nhất là trong sản xuất hàng loạt lớn. Có thể kẹp chặt bằng một thanh truyền hoặc kẹp chặt bằng hai thanh truyền.(hình 9-13). 3.6. Kẹp chặt bằng trụ trượt thanh răng. Cơ cấu này bao gồm thanh răng 3; bánh răng 5, đƣợc lắp trên trục 4, chi tiết trung gian 2 và tay quay 6. Để đảm bảo đƣợc lực kẹp cần phải có cơ cấu tự hãm , giá trị của lực kẹp phụ thuộc vào lực ở tay quay. (hình 9-14) 3.7. Cơ cấu kẹp nhanh bằng tay. Hình 9-14: sơ đồ kẹp chặt bằng trụ trượt thanh răng 1. chi tiết gia công; 2. chi tiết tung gian; 3. thanh răng 4. trục lắp bánh răng; 5.bánh răng; 6. tay quay. Hình 9-15: Cơ cấu kẹp nhanh bằng tay đòn kẹp; 2. tay quay; 3. khối đệm; 4. vít định vị 74 3.8. Kẹp chặt nhờ lực chạy dao. 3.9. Kẹp chặt chi tiết nhờ lực cắt. Nguyên tắc làm việc của chi tiết này nhƣ sau : Khi định vị chi tiết 2, để tạo đƣợc lực kẹp sơ bộ, tay quay 3, các bánh lệch tâm 1 tiếp xúc với chi tiết và nhờ lực tiếp tuyến mà chi tiết đƣợc kẹp chặt. 3.10. Kẹp chặt chi tiết nhờ lực ly tâm lực quán tính. Nguyên lý làm việc của đồ gá này là có những khối nặng để khi quay nhờ lực ly tâm mà chi tiết đƣợc kẹp chặt. có cơ cấu trên hình 9-17, lực ly tâm, lực quán tính xuất hiện khi trục 8 của máy quay, làm cho viên bi 6 văng ra và đƣợc chêm chặt giữa vỏ đồ gá 7 và bạc di động 5. Hình 9-16: Kẹp chặt nhờ lực chạy dao 1. đầu khoan; 2. phiến dẫn;3. chi tiết gia công; 4. lò xo; 75 3.11. Kẹp chặt bằng ống kẹp đàn hồi. Trƣớc đó đã giới thiệu ống kẹp đàn hồi dùng để định vị mặt trụ ngoài của chi tiết. Tuy nhiên, ngoài mặt trụ, ống kẹp đàn hồi còn đƣợc dùng để định vị và kẹp chặt nhiều dạng bề mặt ngoài khác nhau. 3.12. Kẹp chặt bằng mâm cặp đàn hồi. Mâm cặp đàn hồi dùng để định tâm chính xác và kẹp chặt chi tiết gia công trên các máy tiện và máy mài. Trên mâm cặp đàn hồi, các chi tiết định vị theo bề mặt trụ ngoài hoặc trụ trong (hình 9-18) 3.13. Kẹp chặt bằng lò xo đĩa. Lò xo đĩa dùng để định tâm và kẹp chặt theo mặt trụ ngoài hoặc mặt trụ trong. Độ định tâm của lò xo đĩa có thể đạt 0.01-0.02 mm Hình 9-17: Cơ cấu kẹp chặt nhờ lực ly tâm- quán tính. 1. đòn rút; 2. lò xo; 3. bặc chặn; 4. đai ốc; 5. bạc di động; 6. bi; 7. vỏ đồ gá; 8. trục chính của máy. Hình 9-18: Sơ đồ mân cặp đàn hồi 1. thân mân cặp; 2. đòn rút; 3. đĩa mỏng; 4. chấu kẹp; 5. chi tiết gia công 76 3.14. Kẹp chặt bằng chất dẻo. Cơ cấu định tâm và kẹp chặt bằng chất dẻo có thể dùng khi chuẩn là lỗ hoặc mặt trụ ngoài. Kẹp bằng chất dẻo có thể triệt tiêu đƣợc khe hở giữa chi tiết và đồ định vị, đồng thời tạo ra lực kẹp khá lớn. Ngoài ra đồ dùng lực kẹp bằng chất dẻo có ƣu điểm là kết cấu nhỏ gọn và thao tác nhanh. 3.15. Kẹp chặt bằng bằng khí nén. Khí nén dùng trong đồ gá ngày càng nhiều vì nó có những đặc điểm sau đây: - Giảm nhẹ sức lao động khi kẹp chặt chi tiết, thao tác nhẹ nhàng và thuận tiện. - Rút ngắn thời gian kẹp chặt - Tạo đƣợc lực kẹp đều, lớn và có thể điều chỉnh đƣợc - Dể tự động hóa và có thể điều chỉnh từ xa Tuy nhiên cũng có những nhƣợc điểm là : Hình 9-19: Kẹp chặt bằng lò xo đĩa a) 1. thân trục gá; 2. chi tiết gia công; 3. lò xo đĩa; 4. bạc; 5. vít kẹp. 1. Chi tiết gia công; 2. lò xo đĩa; 3. đai ốc kẹp. Hình 9-20: Sơ đồ kẹp chặt bằng chất dẻo 1. thân đồ gá; 2. các chốt kẹp; 3. chi tiết gia công; 4. đòn rút. 77 - Do khí nén có tính đàn tính nên độ cững vững kẹp chặt không cao, vì vậy nó không đƣợc dùng để kẹp chi tiết nặng. - Phải có một hệ thống khí nén với nhiều trang thiết bị nhƣ các loại van, bình lọc, vv... 3.16. Kẹp chặt bằng dầu thuỷ lực. Dầu thủy lực là một hình thức truyền động ( để sinh lực ) hay đƣợc dùng trong đồ gá, tuy có ít hơn khí nén . Dầu thủy lực có áp suất cao hơn khí nén nhiều nên dùng để kẹp chặt chi tiết to và nặng. Dầu thủy lực luôn có áp suất nên có nhƣợc điểm là phải có các thiết bị kèm theo vì vậy mà tốn kém, hình 9-22 mô tả các cơ cấu kẹp bằng dầu ép. Hình 9-21: Sơ đồ hệ thống trang thiết bị khí nén cung cấp cho đồ gá 1. bình phun dầu; 2. van điều áp; 3. van một chiếu; 4. van phân phối; 5. van điều chỉnh; 6. đồng hồ áp lực; 7.xi lanh; F.bình lọc. 78 3.17 Cơ cấu kẹp phối hợp Khí nén - Thuỷ lực Truyền động bằng thủy lực và khí nén nhằm mực ddichas phóng đại lực kẹp hoặc làm ổn định tốc độ lực kẹp. Cơ cấu khí nén thủy lực đƣợc chia thành hai loại : Loại tác động trực tiếp - Loại tác động tuần tự III.18 Cơ cấu kẹp chặt cơ khí - Thuỷ lực Đối với đồ gá cần lực kẹp lớn, ngƣời ta dùng cơ cấu cơ khí thủy lực III.19 Cơ cấu kẹp chặt bằng chân không Cơ cấu kẹp chặt bằng chân không đƣợc dùng để kẹp các chi tiết phẳng, mỏng, dễ biến dạng. nguyên lý của nó là là tạo ra một khoảng chân không ở phía dƣới để kẹp chặt nó Hình 9-22: Sơ đồ cơ cấu kẹp bằng dầu thủy lực với xi lanh tác động 2 chiều (a) và các ví dụ ứng dụng (b,c) 1. xi lanh; 2. bơm bánh răng; 3. xilanh phụ; 4. van an toàn Hình 9-22: Cơ cấu kẹp phối hợp khí nén- thủy lực loại tác động trực tiếp 1. xilanh dầu thủy lực; 2. xi lanh khí nén; 3. buồng khí nén; 4. pittông khí; 5.cán pittông; 6. pitttông dầu; 7. cán pittông 79 3.18. Cơ cấu kẹp chặt bằng từ, điện từ. Truyền động bằng từ hay điện từ đƣợc dùng để kẹp chặt chi tiết mỏng thông thƣờng thì điện từ đƣợc dùng nhiều hơn so với bằng từ, hình 9-24 mô tả cơ cấu kẹp chặt bằng điện tử, từ vĩnh cửu. Hình 9-24:Sơ đồ của đồ gá điện tử (a) và từ vĩnh cửu (b). 1. Chi tiết gia công; 2. tấm ngăn cách; 3. tấm dẫn từ; 4. lớp ngăn cách từ; 5. cuộn dây hoặc nam châm vĩnh cửu; 6,8.tấm dẫn từ; 7. đế. 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Công nghệ hàn - Nguyễn Văn Siêm - NXB Khoa học và Kỹ thuật - 1983 2. Giáo trình Công nghệ hàn - Nguyễn Thúc Hà - Bùi Văn Hạnh - Võ Văn Phong - Nhà máy in Quân đội - 2002 3. Cẩm nang hàn - Hoàng Tùng - Nguyễn Thúc Hà - Ngô Lê Thông - Chu Văn Khang - NXB Khoa học và Kỹ thuật - 1999 4. Thực hành kỹ thuật Hàn - Gò - Trần Văn Niên - Trần Thế San - NXB Đà Nẵng - 2001 5. Kỹ thuật hàn - Trƣơng Công Đạt - NXB Công nhân kỹ thuật - 1977 6. Chế tạo phôi - Hoàng Tùng và tập thể - Trƣờng ĐHBK Hà Nội - 1992 7. Hƣớng dẫn thiết kế công nghệ hàn nóng chảy - Nguyễn Nhƣ Tự - Trƣờng ĐHBK Hà Nội - 1986 8. Vật liệu và Công nghệ hàn - Nguyễn Văn Thông - NXB Khoa học và Kỹ thuật - 1998 9. Thực hành hàn khí tập I, II - Dự án JICA-HIC - Trƣờng Đại học Công nghiệp Hà Nội - 2003 10. Thực hành hàn điện hồ quang tập I, II - Dự án JICA-HIC - Trƣờng Đại học Công nghiệp Hà Nội - 2003 11. An toàn lao động trong gia công kim loại tấm - Dự án JICA-HIC - Trƣờng Đại học Công nghiệp Hà Nội - 2003 12. Khai triển hình gò - Trần Văn Giản - NXB Khoa học và Kỹ thuật - 1978 13. Công nghệ chế tạo phôi - Nguyễn Tiến Đào - NXB Khoa học và Kỹ thuật - 2006 14. Sổ tay hàn - Hoàng Tùng - NXB Khoa học và Kỹ thuật - 2006 15. Đồ gá hàn - Lê Văn Tiến - NXB Khoa học và Kỹ thuật - 1999 16. Công nghệ hàn nóng chảy (tập 1 cơ sở lý thuyết) - Ngô Lê Thông - NXB Khoa học và Kỹ thuật - 2004 81 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................... 1 Bài 1 - VẬT LIỆU CHẾ TẠO KẾT CẤU HÀN ................................................ 2 Giới thiệu : ..................................................................................................... 2 Mục tiêu thực hiện : ........................................................................................ 2 1. Các loại thép dùng để chế tạo kết cấu hàn : ................................................ 2 1.1. Thép các bon thấp : .................................................................................. 2 1.2. Thép hợp kim thấp: .................................................................................. 3 1.3. Thép không rỉ : ....................................................................................... 4 2. Nhôm và hợp kim nhôm : .......................................................................... 4 Bài 2 - TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN MỐI HÀN ......................................................... 5 Giới thiệu : ..................................................................................................... 5 Mục tiêu thực hiện : ........................................................................................ 5 Nội dung : ...................................................................................................... 5 1. Tính độ bền kéo, nén của mối hàn .............................................................. 5 1.1. Tính độ bền kéo, nén của mối hàn giáp mối : ........................................... 5 1.2. Tính độ bền kéo ( nén ) của mối hàn góc : .............................................. 6 2. Tính độ bền uốn của mối hàn . .................................................................... 7 2.1. Mối hàn giáp mối chịu uốn : .................................................................... 7 2.2. Mối hàn góc chịu uốn (hình 2-6).............................................................. 7 2.3. Mối hàn chịu xoắn ................................................................................... 8 2.4. Các ví dụ tính toán : ................................................................................. 8 Bài 3 - ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KHI HÀN............................................ 11 Giới thiệu : ................................................................................................... 11 Mục tiêu thực hiện : ...................................................................................... 11 1. Các khái niệm về ứng suất và biến dạng khi hàn. .................................... 11 1.1. Nội ứng suất khi hàn : ............................................................................ 11 1.2. Phân loại ứng suất: ................................................................................ 11 1.3. Các biến dạng khi hàn: .......................................................................... 12 2. Tính ứng suất và biến dạng khi hàn giáp mối............................................ 12 2.1. Tính nội lực tác dụng : .......................................................................... 12 2.2. Tính nội lực phản kháng và ứng suất phản kháng .................................. 13 2.3. Tính mô men uốn................................................................................... 14 2.4. Tính ứng suất uốn. ................................................................................. 14 2.5. Tính độ võng. ........................................................................................ 15 2.6. Các vídụ và bài tập. ............................................................................... 15 3. Tính ứng suất và biến dạng khi hàn góc. ................................................... 17 3.1. Tính ứng suất và biến dạng khi hàn kết cấu chữ L, hình 3- 4: ............... 17 3.2. Ứng suất và biến dạng khi hàn kết cấu chữ T. ....................................... 18 82 4. Các biện pháp giảm ứng suất và biến dạng khi hàn. .................................. 19 4.1. Các biện pháp về kết cấu và công nghệ. ................................................. 19 4.2. Các biện pháp khử biến dạng. ................................................................ 19 4.3. Kẹp chặt chi tiết khi hàn. ....................................................................... 20 4.4. Các phƣơng pháp giảm ứng suất. ........................................................... 20 Bài 4 - KẾT CẤU DẦM ................................................................................... 21 Giới thiệu : ................................................................................................... 21 Mục tiêu thực hiện : ...................................................................................... 21 Nội dung : .................................................................................................... 21 1. Khái niệm và phân loại dầm. .................................................................... 21 1.1. Khái niệm : ............................................................................................ 21 1.2. Phân loại dầm : ...................................................................................... 21 2. Tính toán thiết kế dầm. ............................................................................. 22 2.1. Tính chọn chiều cao của dầm. ................................................................ 22 2.2. Tính toán các thông số khác của dầm : .................................................. 23 2.3. Tính toán thiết kế các mối hàn dầm. ...................................................... 24 3. Ứng dụng tính toán thiết kế : .................................................................... 25 Bài 5 - KẾT CẤU TRỤ .................................................................................... 29 Giới thiệu : ................................................................................................... 29 Mục tiêu thực hiện : ...................................................................................... 29 Nội dung : .................................................................................................... 29 1. Khái niệm, phân loại, trạng thái chịu tải trọng của trụ............................... 29 1.1. Khái niệm. ............................................................................................. 29 1.2. Phân loại trụ. ......................................................................................... 29 2. Tính toán thiết kế trụ. ............................................................................... 30 2.1. Tính toán thiết kế mặt cắt ngang của trụ. ............................................... 30 2.2. Tính toán thiết kế mối hàn liên kết các phần tử của trụ. ......................... 32 3. Ứng dụng tính toán, thiết kế. .................................................................... 34 4. Tính mô men quán tính. ............................................................................ 34 Bài 6 - KẾT CẤU TẤM ................................................................................... 39 Giới thiệu : ................................................................................................... 39 Mục tiêu thực hiện : ...................................................................................... 39 Nội dung : .................................................................................................... 39 1. Khái niệm chung về kết cấu tấm. .............................................................. 39 2. Phân loại kết cấu tấm và trạng thái làm việc của kết cấu tấm. ................... 39 3. Tính toán kết cấu tấm. .............................................................................. 40 3.1. Kết cấu thùng chứa hình trụ đứng. ......................................................... 40 3.2. Tính các kết cấu bình chứa chất lỏng, chất khí áp suất cao. ................. 42 4. Các ứng dụng tính toán thiết kế. ............................................................... 43 83 Bài 7 - KẾT CẤU DÀN ................................................................................... 45 2. Phân loại và các trạng thái làm việc của dàn. ............................................ 45 2.1. Dàn kèo nhà. .......................................................................................... 46 2.2. Các dàn cần trục: ................................................................................... 47 2.3. Dàn cầu. ................................................................................................ 47 3. Tính toán thiết kế dàn ............................................................................... 47 3.1. Tính tải trọng và ứng suất trong các thanh của dàn. ............................... 47 3.2. Xác định tiết diện ngang các thanh của dàn. .......................................... 48 3.3. Tính toán và thiết kế nút dàn. ................................................................. 49 4. Tính toán ứng dụng .................................................................................. 50 Bài 8 - CƠ SỞ THIẾT KẾ ĐỒ GÁ HÀN ......................................................... 55 Giới thiệu : ................................................................................................... 55 Mục tiêu thực hiện : ...................................................................................... 55 Nội dung chính : ........................................................................................... 55 1. Nguyên tắc 6 bậc tự do. ............................................................................ 55 2. Quan hệ giữa thiết kế công nghệ và thiết kế đồ gá hàn. ............................ 58 3. Sai số gá đặt trên đồ gá gia công. .............................................................. 59 3.1. Tính sai số kẹp chặt. .............................................................................. 59 3.2. Tính sai số đồ gá .................................................................................... 60 3.3. Tính sai số chuẩn ................................................................................... 60 Bài 9 - ĐỒ ĐỊNH VỊ ........................................................................................ 62 Giới thiệu : ................................................................................................... 62 Mục tiêu thực hiện : ...................................................................................... 62 1. Đồ định vị khi chuẩn là mặt phẳng. .......................................................... 62 1.1 Chốt tỳ cố định. ...................................................................................... 62 1.2 Phiến tỳ: ................................................................................................. 63 1.3. Chốt tỳ điều chỉnh. ................................................................................ 64 1.4. Chốt tỳ tự lựa ......................................................................................... 64 1.5. Chốt tỳ phụ ............................................................................................ 65 2. Đồ định vị khi chuẩn là mặt trụ ngoài ....................................................... 65 2.2. Mâm cặp ................................................................................................ 65 2.3. Ống kẹp đàn hồi .................................................................................... 66 2.4 Bạc định vị. ............................................................................................ 66 3. Đồ định vị khi chuẩn là mặt trụ trong ................................................... 66 3.1. Chốt định vị ........................................................................................... 66 4. Đồ định vị khi chuẩn là hai lỗ tâm ............................................................ 67 Bài 10 - KẸP CHẶT VÀ CƠ CẤU KẸP CHẶT............................................... 68 Giới thiệu : ................................................................................................... 68 Mục tiêu thực hiện : ...................................................................................... 68 84 Nội dung chính : ........................................................................................... 68 1. Khái niệm về lực kẹp và yêu cầu của cơ cấu kẹp chặt .......................... 68 2. Phƣơng pháp tính lực kẹp ......................................................................... 69 3. Một số cơ cấu kẹp chặt thông dụng........................................................... 70 3.1 Kẹp chặt bằng chêm. .............................................................................. 70 3.2. Kẹp chặt bằng ren vít. ............................................................................ 71 3.3. Kẹp chặt phối hợp bằng ren vít- đòn. ..................................................... 71 3.4. Kẹp chặt bằng bánh lệch tâm. ................................................................ 72 3.5. Kẹp chặt bằng thanh truyền ................................................................... 73 3.6. Kẹp chặt bằng trụ trƣợt thanh răng. ....................................................... 73 3.7. Cơ cấu kẹp nhanh bằng tay. ................................................................... 73 3.8. Kẹp chặt nhờ lực chạy dao. .................................................................... 74 3.9. Kẹp chặt chi tiết nhờ lực cắt. ................................................................. 74 3.10. Kẹp chặt chi tiết nhờ lực ly tâm lực quán tính. ..................................... 74 3.11. Kẹp chặt bằng ống kẹp đàn hồi. ........................................................... 75 3.12. Kẹp chặt bằng mâm cặp đàn hồi. ......................................................... 75 3.13. Kẹp chặt bằng lò xo đĩa. ...................................................................... 75 3.14. Kẹp chặt bằng chất dẻo. ....................................................................... 76 3.15. Kẹp chặt bằng bằng khí nén. ................................................................ 76 3.16. Kẹp chặt bằng dầu thuỷ lực.................................................................. 77 3.17 Cơ cấu kẹp phối hợp Khí nén - Thuỷ lực .............................................. 78 3.18. Cơ cấu kẹp chặt bằng từ, điện từ. ......................................................... 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 80 MỤC LỤC ....................................................................................................... 81