Giáo trình sức bền vật liệu nghề cắt gọt kim loại cao đẳng nghề - Phần 2

Giáo trình Sức bền vật liệu cắt gọt kim loại phần 2 biên soạn theo chương trình đào tạo chuẩn, phù hợp sinh viên ngành tại Việt Nam

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Sức Bền Vật Liệu
• Đề tài: Giáo Trình Sức Bền Vật Liệu Cắt Gọt Kim Loại Phần 2
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 5. CHƯƠNG V: XOẮN THUẦN TÚY
• 5.1. Khái niệm về xoắn thuần túy
• 5.2. Ứng suất và biến dạng trong thanh mặt cắt tròn chịu xoắn
• 5.3. Tính toán về xoắn thuần túy
• 5.3.1. Điều kiện bền và ba bài toán cơ bản
• 5.3.2. Điều kiện cứng và ba bài toán cơ bản
• 5.4. Bài tập ví dụ
• 6. CHƯƠNG VI: UỐN NGANG PHẲNG
• 6.1. Khái niệm về uốn ngang phẳng
• 6.2. Nội lực và biểu đồ nội lực
• 6.3. Định lý Gin - Rap-Ski
• 6.4. Ứng suất trong dầm chịu uốn
• 6.5. Tính toán cho thanh chịu uốn phẳng
• 6.5.1. Điều kiện bền về ứng suất pháp và ba bài toán cơ bản

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình sức bền vật liệu cắt gọt kim loại phần 2

Giáo trình sức bền vật liệu cắt gọt kim loại phần 2 cung cấp kiến thức cơ bản và nâng cao về sức bền của vật liệu trong quá trình gia công. Nội dung giáo trình không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ về các khái niệm cơ bản mà còn trang bị cho họ những kỹ năng cần thiết để áp dụng vào thực tiễn. Các chủ đề chính bao gồm biến dạng xoắn, ứng suất và tính toán sức bền, giúp người học có cái nhìn tổng quan về lĩnh vực này.

1.1. Khái niệm về sức bền vật liệu trong cắt gọt kim loại

Sức bền vật liệu là khả năng chịu đựng của vật liệu dưới tác động của lực. Trong cắt gọt kim loại, việc hiểu rõ về sức bền giúp tối ưu hóa quy trình gia công và nâng cao chất lượng sản phẩm.

1.2. Tầm quan trọng của giáo trình trong đào tạo kỹ thuật

Giáo trình này đóng vai trò quan trọng trong việc đào tạo kỹ sư, giúp họ nắm vững lý thuyết và thực hành về sức bền vật liệu, từ đó áp dụng vào các dự án thực tế.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu sức bền vật liệu

Trong nghiên cứu sức bền vật liệu, có nhiều vấn đề và thách thức cần được giải quyết. Các yếu tố như ứng suất, biến dạng và điều kiện làm việc của vật liệu đều ảnh hưởng đến độ bền của sản phẩm. Việc phân tích và tính toán chính xác các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong sản xuất.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến sức bền vật liệu

Các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, và loại vật liệu đều có ảnh hưởng lớn đến sức bền. Việc hiểu rõ các yếu tố này giúp kỹ sư đưa ra các giải pháp tối ưu.

2.2. Thách thức trong việc tính toán ứng suất và biến dạng

Tính toán ứng suất và biến dạng là một trong những thách thức lớn trong thiết kế. Cần có các phương pháp chính xác để đảm bảo tính toán đúng đắn và an toàn cho sản phẩm.

III. Phương pháp tính toán sức bền vật liệu cắt gọt kim loại

Có nhiều phương pháp khác nhau để tính toán sức bền vật liệu, bao gồm phương pháp phân tích ứng suất, phương pháp mô phỏng và phương pháp thực nghiệm. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng.

3.1. Phương pháp phân tích ứng suất

Phương pháp này sử dụng các công thức toán học để tính toán ứng suất trong vật liệu. Đây là phương pháp phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong ngành kỹ thuật.

3.2. Phương pháp mô phỏng bằng phần mềm

Sử dụng phần mềm mô phỏng giúp kỹ sư có cái nhìn trực quan về ứng suất và biến dạng trong vật liệu, từ đó đưa ra các quyết định thiết kế chính xác hơn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của sức bền vật liệu trong cắt gọt kim loại

Sức bền vật liệu có nhiều ứng dụng trong thực tiễn, từ thiết kế máy móc đến sản xuất các chi tiết cơ khí. Việc áp dụng kiến thức về sức bền giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu rủi ro trong quá trình gia công.

4.1. Ứng dụng trong thiết kế máy móc

Kiến thức về sức bền vật liệu giúp kỹ sư thiết kế các máy móc có khả năng chịu tải tốt, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc.

4.2. Ứng dụng trong sản xuất chi tiết cơ khí

Trong sản xuất chi tiết cơ khí, việc hiểu rõ về sức bền vật liệu giúp tối ưu hóa quy trình gia công, giảm thiểu lãng phí và nâng cao chất lượng sản phẩm.

V. Kết luận và tương lai của sức bền vật liệu cắt gọt kim loại

Sức bền vật liệu là một lĩnh vực quan trọng trong ngành kỹ thuật, và việc nghiên cứu, phát triển các phương pháp tính toán và ứng dụng là rất cần thiết. Tương lai của sức bền vật liệu sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ mới, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.

5.1. Xu hướng phát triển trong nghiên cứu sức bền vật liệu

Nghiên cứu sức bền vật liệu sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ mới, từ đó mở ra nhiều cơ hội mới trong ngành công nghiệp.

5.2. Tầm quan trọng của giáo trình trong đào tạo kỹ sư

Giáo trình sức bền vật liệu cắt gọt kim loại sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc đào tạo kỹ sư, giúp họ nắm vững kiến thức và kỹ năng cần thiết để áp dụng vào thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

52 CHƯƠNG V : XOẮN THUẦN TÚY Mã chương: MH10-05 Giới thiêu: Biến dạng xoắn thuần túy thanh tròn gặp rất nhiều trong thực tế đặc biệt là trong các chi tiết máy dạng trục. Ví dụ: Mũi khoan khi đang khoan, trục vít, trục bánh lái, chìa vặn. Mục tiêu: - Trình bày được khái niệm về xoắn thuần túy, biến dạng trong xoắn. - Vẽ được biểu đồ mô men xoắn nội lực, phân tích và tính được ứng suất trên mặt cắt.

- Tính được biến dạng trong thanh chịu xoắn. - Tính thành thạo ba bài toán cơ bản của sức bền theo điều kiện bền và điều kiện cứng. - Rèn luyện cho người học tính cẩn thận, chính xác, tư duy logic 1. KHÁI NIỆM VỀ XOẮN THUẦN TÚY Mục tiêu: - Trình bày được khái niệm về xoắn thuần túy - Vẽ được biểu đồ mô men xoắn nội lực 1.

Định nghĩa Thanh chịu xoắn thuần túy là thanh mà ngoại lực tác dụng là các ngẫu lực hay các mô men có chiều quay ngược nhau và có mặt phẳng tác dụng trùng với các mặt cắt ở trong thanh. Ví dụ: Mũi khoan, trục động cơ, trục hộp giảm tốc… 1. Nội lực và biểu đồ mô men xoắn nội lực 1. Nội lực Xét thanh thẳng có tiết diện tròn chịu tác dụng của các mô men như hình vẽ (Hình 5-1) Dùng phương pháp mặt cắt để xác định nội m m lực.

Ta xác định được mô men xoắn nội lực Mz có: - Phương: Trùng với mặt cắt ngang của thanh -Trị số: Bằng tổng đại số của các mômen m MZ ngoại lực tác dụng (Mz= m) *Quy ước dấu Mômen xoắn nội lực: Ký hiệu: Mz Hình 5-1 53 + Nhìn từ bên ngoài vào mặt cắt thấy mô men Mz quay cùng chiều kim đồng hồ thì Mz mang dấu dương. + Nhìn từ bên ngoài vào mặt cắt thấy mô men Mz quay ngược chiều kim đồng hồ thì Mz mang dấu âm. Biểu đồ nội lực Các bước vẽ biểu đồ nội lực - Bước 1: Xác định phản lực liên kết (nếu cần) - Bước 2: Chia đoạn cho thanh, dựa trên cơ sở vị trí tác dụng của mômen tương ứng với một điểm, hai điểm liên tiếp là một đoạn. - Bước 3: Xác định nội lực trong từng đoạn + Dùng phương pháp mặt cắt, cắt thanh làm hai phần, giữ lại một phần để khảo sát + Đặt nội lực vào mặt cắt (giả định nội lực Mz dương ) + Viết phương trình cân bằng và giải các phương trình  giá trị của nội lực - Bước 4: Vẽ biểu đồ nội lực + Kẻ đường thẳng song song với trục thanh gọi là đường không.

+ Kẻ các đoạn thẳng song song với nhau và vuông góc với đường không + Điền dấu, điền giá trị nội lực *Ví dụ 1: Cho thanh chịu xoắn thuần túy như trên (hình 5-2): m1= 20 KNm, m2= 60 KNm. Vẽ biểu đồ nội lực cho thanh AC? m2 m1 A B C Hình 5-2 Bài làm - B1: Xác định phản lực liên kết (hình5-3) Ta có phương trình cân bằng m  m  m  m  0 z A 1 2  mA  m2  m1  60  20  40 KN .m - B2: Chia đoạn cho thanh: AB, BC 54 - B3: Xác định nội lực trên từng đoạn mA m2 m1 1 2 + Xét đoạn AB: Dùng mặt cắt (1-1) cắt thanh, xét cân bằng phần bên A B C phải, ta có: 1 2 M Z11  m2  m1  0 mA Mz1-1 1 2 m1 2-2 A Mz  M Z11  m2  m1  50  30  20 KN 1 C + Xét đoạn BC: Dùng mặt cắt (2-2) 2 cắt thanh, xét cân bằng phần bên 20KN.m phải, ta có: 0 2 2 M Z  m1  0 Mz 40KN.m  M Z22  m1  30 KN - B4: Vẽ biểu đồ nội lực (hình5-3) Hình 5-3 *Nhận xét: Nhìn vào biểu đồ ta thấy đoạn AB là đoạn nguy hiểm nhất 1. Liên hệ giữa mô men ngoại lực với công suất và vận tốc góc Giữa công suất của động cơ truyền đến các trục của mô men xoắn ngoại lực tác dụng lên trục có mối quan hệ sau: Công A do mô men M thực hiện khi trục quay một góc α trong thời gian t là: A = M.α (5-1) A  Vậy công suất: W =  M .n Vận tốc góc:   (rad/s) (5-4) 30 Trong kỹ thuật người ta còn sử dụng công thức sau: W M  9,55. (Nm) (5-5) n 55 W W tính bằng mã lực ta có: M  7162.

ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG TRONG THANH MẶT CẮT TRÒN CHỊU XOẮN Mục tiêu: - Trình bày được biến dạng trong thanh chịu xoắn thuần túy. - Phân tích và tính được ứng suất sinh ra trên mặt cắt ngang. - Tính được biến dạng trong thanh chịu xoắn. Biến dạng Xét một thanh thẳng có tiết diện tròn, chiều dài là l, bán kính R.

+ Trước khi cho thanh chịu xoắn (Hình 5- 4) - Kẻ lên mặt ngoài của thanh các đường thẳng song song với trục thanh, các đường thẳng này đặc trưng cho các thớ dọc. - Kẻ các đường tròn vuông góc với trục của thanh, các đường này đặc trưng cho các mặt cắt ngang. l a O O` A B Hình 5- 4 Tác dụng vào thanh mô men xoắn m làm cho thanh chịu xoắn. + Sau khi cho thanh chịu xoắn (Hình 5- 5) l a O O` m B` φ A γ Hình 5-5 56 Nhận xét: - Các thớ dọc: + Các thớ dọc bị lệch đi so với ban đầu một góc là , nhưng chúng vẫn song song với nhau và không còn song song với trục của thanh.

: là góc trượt của các thớ dọc + Xét thớ dọc là trục OO`, ta thấy thớ OO` không bị lệch đi so với ban đầu, vậy biến dạng góc  của thớ OO` bằng 0. Xét thớ dọc cách trục một khoảng r bất kỳ (r < Rmax) ta thấy r tăng thì góc  tăng, khi r đạt Rmax ta thấy góc  đạt giá trị lớn nhất. Như vậy góc  có giá trị thay đổi từ 0 đến max Ta có: 0 ≤  ≤ max Vậy ta thấy thớ dọc trùng với trục thanh không bị biến dạng góc = 0. Càng tiến ra mặt trụ ngoài cùng thì góc  càng tăng dần và ở mặt trụ ngoài cùng thì góc  đạt gia trị lớn nhất là max - Các mặt cắt ngang: + Khoảng cách giữa các mặt cắt ngang không đổi, chiều dài thanh không đổi vậy thanh không có biến dạng dọc trục (dài) + Các mặt cắt ngang vẫn tròn, vẫn phẳng và vẫn vuông góc với trục thanh.

+ Xét điểm B thuộc thanh, ta thấy trước biến dạng điểm B là giao điểm của thớ dọc thứ nhất với mặt đầu tự do, nhưng sau chịu xoắn điểm B dịch chuyển thành điểm B`. Như vậy ta thấy điểm B dịch chuyển một cung tương ứng là cung BB`, tức là mặt đầu tự do xoay đi một góc tương ứng là φ. φ : là góc xoay của mặt cắt ngang Xét điểm A thuộc mặt đầu cố định, ta thấy điểm A không bị xoay, vậy góc xoay của mặt đầu cố định bằng 0 tức φ = 0 Xét mặt cắt ngang cách mặt đầu tự do một khoảng là a ta thấy mặt cắt này cũng bị xoay đi một góc (như hình vẽ), góc xoay này lớn hơn 0 nhưng nhỏ hơn góc φ của mặt đầu tự do. Vậy ta có: 0    max.

Kết luận: Biến dạng trong thanh chịu xoắn là biến dạng trượt của vật liệu. Biến dạng của các phần tử vật liệu trên mặt cắt ngang là khác nhau. Ứng suất - Ứng suất sinh ra trên mặt cắt ngang của thanh chịu xoắn thuần túy là ứng suất tiếp ký hiệu:  x 2. Biểu đồ phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang Theo định luật Húc có:   G. (5-7) Trong đó: 57 - G là mô đun đàn hồi trượt của vật liệu, G = const - γ là biến dạng trượt của vật liệu + Quy luật phân bố ứng suất: A τmax B - Khi R=0  γ = 0   x = 0 - Khi R tăng  γ tăng   x tăng O - Khi Rmax  γ max   x max Biểu đồ phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang (Hình 5-6) Chú ý: Biểu đồ phân bố ứng suất trên chỉ Hình 5-6 thể hiện ứng suất sinh ra tại các điểm thuộc bán kính OA.

Xoay biểu đồ ứng suất đó một góc 3600 ta có thể biểu diễn được ứng suất sinh ra tại tất cả các điểm thuộc mặt cắt ngang Nhận xét biểu đồ: - Ứng suất tăng dần từ tâm mặt cắt đến bán kính lớn nhất của mặt cắt và đạt giá trị lớn nhất khi bán kính lớn nhất. - Ứng suất có giá trị thay đổi từ 0   x   max 2. Ứng suất lớn nhất trên mặt cắt ngang * Ứng suất lớn nhất được xác định bằng công thức: MZ  max  (5-8) Wp Trong đó: - Mz: Mô men xoắn nội lực (Ncm; KNm ,…) - Wp: Mômen chống xoắn của mặt cắt ngang của thanh (chiều dài3) Jp Wp  (5-9) R + Với mặt cắt ngang của thanh có tiết diện tròn đặc: Jp  .D 16 + Với mặt cắt ngang ngang của thanh có tiết diện tròn rỗng  .1    ;  d Wp  4 (5-11) 32 D Trong đó: - D là đường kính ngoài - d là đường kính trong 58 3. TÍNH TOÁN VỀ XOẮN THUẦN TÚY Mục tiêu: Tính thành thạo ba bài toán cơ bản của sức bền theo điều kiện bền và điều kiện cứng.

Điều kiện bền và ba bài toán cơ bản. Điều kiện bền Điều kiện cần và đủ để thanh chịu xoắn thuần túy đảm bảo độ bền là ứng suất sinh ra trên mặt cắt ngang của thanh phải nhỏ hơn hoặc bằng ứng suất cho phép.  max   x (5-12) Nếu chi tiết đảm bảo điều kiện trên nó sẽ đảm bảo độ bền khi chịu lực. Ba bài toán cơ bản a.

Kiểm tra bền Từ điều kiện bền ta có công thức kiểm tra độ bền: Mz  max    x (5-13) Wp - Tìm ứng suất lớn nhất - So sánh ứng suất lớn nhất với ứng suất cho phép - Kết luận: + Nếu  max   X  thanh đủ bền + Nếu  max   X  thanh không đủ bền b. Xác định kích thước mặt cắt ngang hợp lý Từ điều kiện bền ta có Mz Wp   x (5-14) + Với mặt cắt ngang của thanh có tiết diện tròn đặc: Ta xác định được đường kính hợp lý của thanh là  D  M .