Trên cơ sở đề xuất ý tưởng nâng cao năng suất và chất lượng chế tạo vỏ tàu thuỷ, trong khuôn khổ luận án tiến sĩ đề xuất nội dung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ lăn ép c
Trang 1A GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LUẬN ÁN
1 Cơ sở lựa chọn đề tài luận án
Hiện nay, công nghệ chế tạo các chi tiết vỏ có biên dạng phức tạp từ tấm dày sử dụng chủ yếu là cắt, gò, hàn, gia công nhiệt, hay tạo hình thủ công trên các thiết bị vạn năng Trên cơ
sở đề xuất ý tưởng nâng cao năng suất và chất lượng chế tạo vỏ tàu thuỷ, trong khuôn khổ luận án tiến sĩ đề xuất nội dung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ lăn ép cơ bản đến quá trình tạo hình sản phẩm tấm nhằm phát triển công nghệ lăn ép về mặt lý thuyết, đồng thời áp dụng các kết quả nghiên cứu vào việc thiết kế qui trình công nghệ chế tạo vỏ tàu
2 Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu xây dựng bài toán lăn ép dựa trên lý thuyết gia công áp lực; Lý giải các nguyên nhân phôi tấm cong khi lăn ép; Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính tới bán kính cong của phôi tấm, từ đó thiết lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ khi lăn ép để tạo hình các tấm có bán kính cong theo thiết kế và áp dụng trong chế tạo thử nghiệm các chi tiết trong vỏ tàu thuỷ
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Vật liệu thép tấm dày từ 10 đến 30mm có mác SS400
- Thiết bị thực nghiệm: Máy ép thủy lực 1500T, cụm con lăn
có vận tốc từ 5 đến 30 vòng/phút
4 Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp lý thuyết với thực nghiệm
5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
a) Ý nghĩa khoa học
- Đã hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về công nghệ lăn ép, phân
tích trạng thái ứng suất và biến dạng trên phôi tấm khi lăn ép
để làm rõ bản chất của việc tạo hình tấm trên trục lăn có biên
dạng, đường kính khác nhau
- Đã phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ
trong quá trình lăp ép tới bán kính cong sản phẩm
- Đã xây dựng hàm số biểu diễn quan hệ giữa các thông số công
nghệ với bán kính cong sản phẩm dựa trên các kết quả thực
Trang 2nghiệm, từ đó lựa chọn được thông số công nghệ đầu vào phù hợp
để tạo hình sản phẩm tấm với bán kính cong theo thiết kế
- Có thể làm tài liệu tham khảo phục vụ cho việc giảng dạy,
nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực chuyên ngành
b) Ý nghĩa thực tiễn
- Kết quả nghiên cứu mở ra khả năng ứng dụng công nghệ tạo hình mới cho độ chính xác và nâng năng suất khi chế tạo chi tiết vỏ tàu thủy
- Ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào việc lập quy trình và lựa chọn thông số công nghệ phù hợp khi chế tạo các chi tiết tấm dày có biên dạng cong phức tạp
- Sự thành công của công trình nghiên cứu sẽ góp phần làm chủ thiết bị và công nghệ của ngành đóng tàu Việt Nam, tăng khả năng
tự động hóa trong sản xuất, chế tạo tàu thủy, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thiểu nhập khẩu và tránh ô nhiễm môi trường
6 Các đóng góp mới của luận án
- Làm rõ bản chất quá trình lăn ép để tạo hình tấm dựa trên trường phân bố ứng suất và biến dạng
- Xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ: lực ép, mức
độ biến dạng, vận tốc lăn ép tới bán kính sản phẩm khi lăn ép
- Xây dựng phương pháp mô phỏng số để nghiên cứu quá trình lăn ép và khảo sát mối quan hệ giữa các thông số công nghệ cơ bản với bán kính cong của tấm
- Xây dựng hệ thống thực nghiệm để xác định các thông số công nghệ trong quá trình lăn ép
- Xây dựng được hàm thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công nghệ cơ bản và bán kính sản phẩm tạo hình
B NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH
CHI TIẾT VỎ TỪ TẤM DẦY 1.1 Chi tiết tấm hình dạng phức tạp, cỡ lớn trong công nghiệp đóng tàu
Các chi tiết trong vỏ tàu thủy thường có biên dạng cong phức tạp, chúng được chế tạo từ các tấm dày từ 10 đến 30 mm,
Trang 3có kích thước nhỏ mỗi chiều từ 1 đến 3 m, sau đó hàn ghép lại [1, 8, 13, 14, 16, 20]
1.2 Các phương pháp truyền thống để tạo hình các chi tiết
vỏ có biên dạng cong phức tạp
Công nghệ chủ yếu được sử dụng hiện này là dập, uốn, nắn, gia nhiệt cục bộ trên các thiết bị máy ép thuỷ lực vạn năng [1, 9, 15, 16] trình bày trong hình dưới đây (hình 1.5):
ra khỏi khe hở giữa hai trục lăn, phôi bị biến dạng cong lên Như vậy, có thể coi lăn ép tương tự như quá trình cán không
đối xứng (hình 1.10)
Hình 1.10 Một số hình ảnh về thiết bị lăn ép & sản phẩm được tạo
hình bằng phương pháp lăn ép
1.4 Những kết quả nghiên cứu về công nghệ lăn ép
Trên thế giới, những công trình nghiên cứu về công nghệ lăn ép, ảnh hưởng của các thông số công nghệ như lực ép, mức
độ biến dạng, tốc độ biến dạng, thông số hình học của trục lăn,
Trang 4ma sát, chiều dày của tấm bằng các phương pháp giải tích, đều kết luận rằng các thông số nêu trên có ảnh hưởng đến mức độ cong của phôi sau khi qua khe hở giữa hai trục lăn Ở trong nước, nghiên cứu của các tác giả thuộc bộ môn Gia Công áp lực - trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã nghiên cứu lý thuyết, tính toán giải tích và xây dựng thiết bị thử nghiệm để đánh giá khả năng công nghệ
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Các nghiên cứu trong và ngoài nước chỉ ra ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới bán kính cong sản phẩm, tuy nhiên phương pháp nghiên cứu chủ yếu sử dụng tính toán lý thuyết cán và tính toán giải tích Nhiều nghiên cứu mới chỉ đề xuất công nghệ lăn ép thực hiện được thì cần thiết bị như thế nào Bên cạnh đó việc nghiên cứu bản chất của quá trình lăn
ép, trường ứng suất, biến dạng tạo độ cong của phôi tấm sau lăn ép, ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản như: lực
ép, mức độ biến dạng, vận tốc lăn ép tới bán kính cong của sản phẩm tấm cũng rất cần thiết để giải thích về mặt lý thuyết, khoa học trong công nghệ gia công áp lực Việc nghiên cứu công nghệ lăn ép sẽ được đề xuất bằng phương pháp mô phỏng số, kết hợp thực nghiệm để xây dựng các mối quan hệ giữa bán kính cong của phôi tấm với các thông số quá trình
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ LĂN ÉP 2.1 Các thông số cơ bản của quá trình lăn ép
tấm lăn ép qua khe hở
giữa hai trục quay, có
vai trò tạo ra mômen
y
Hình 2.1 Sơ đồ quá trình lăn ép không
đối xứng
Trang 5Phôi có chiều dày ban đầu S1 được ép lăn qua khe hở giữa hai trục Khe hở có giá trị nhỏ hơn chiều dày S1 một lượng
S (được gọi là lượng ép) Sau khi đi qua khe hở giữa hai trục phôi tấm sẽ có chiều dày S2 S1 nếu chịu biến dạng dẻo và S2
= S1 nếu biến dạng đàn hồi
2.2 Biên dạng, bán kính cặp trục lăn
Bán kính và biên dạng cặp trục lăn có ảnh hưởng đến quá trình tạo hình phôi tấm cong Tỉ số bán kính giữa hai trục khi biến dạng nguội nằm trong phạm vi từ 1,05 đến 1,3 [46, 47, 76] Biên dạng cặp trục lăn được trình bày như hình dưới đây (hình 2.3, hình 2.4):
Hình 2.4 Con lăn dưới
2.3 Lực ép, phân bố áp lực trên bề mặt tiếp xúc khi lăn
Lực ép được khảo sát trong 2 giai đoạn: khi ép và khi lăn
P/2 P/2
P P
y
y
Hình 2.9 Lực phân bố trên cung
tiếp xúc giữa phôi và trục khi ép
ban đầu
x
y y
Trang 6KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Lăn ép có nhiều điểm tương đồng với cán không đối xứng và uốn cục bộ liên tục theo phương dọc và phương ngang Qua phân tích lý thuyết lăn ép có thể thấy rằng việc xác định bán kính cong của phôi tấm phụ thuộc vào nhiều yếu tố Nếu chỉ sử dụng phân tích lý thuyết giải tích, khó có thể khảo sát chính xác ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố trong quá trình lăn ép đến biến dạng của tấm và bán kính cong của tấm sau khi lăn ép Vì vậy, chương tiếp theo sẽ đề xuất ứng dụng phương pháp mô phỏng số để nghiên cứu công nghệ lăn ép
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LĂN ÉP DỰA
TRÊN MÔ PHỎNG SỐ 3.1 Đặt vấn đề
Nghiên cứu công nghệ lăn ép dựa trên mô phỏng số phải đạt được mục tiêu xem xét làm rõ quá trình tạo hình; dựa trên phân bố biến dạng, ứng suất giải thích hiện tượng phôi tấm bị uốn cong; phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình tạo hình đến bán kính cong của sản phẩm tấm, xác định miền giá trị các thông số công nghệ để có thể ứng dụng trong thực tiễn khi chế tạo các chi tiết có biên dạng cong phức tạp
3.2 Trình tự thực hiện bài toán mô phỏng số
Các bước thực hiện bài toán mô phỏng bao gồm các bước: + Xây dựng mô hình hình học
+ Chọn mô hình vật liệu và đưa mô hình vật liệu thực tiễn vào bài toán
+ Định kiểu phần tử, chia lưới phần tử hữu hạn
+ Đặt các điều kiện biên bao gồm điều kiện tiếp xúc, ràng buộc chuyển vị, lực, chuyển vị, vận tốc…
+ Giải bài toán
+ Phân tích kết quả tính toán dưới dạng hình ảnh, đồ thị
3.3 Thực hiện bài toán mô phỏng số quá trình lăn ép phôi 3.3.1 Xây dựng mô hình hình học
Con lăn trên có dạng tang trống, đường kính lớn nhất 310
Trang 7mm, bán kính tang trống R 425 mm Con lăn dưới có dạng trụ, đường kính 350 mm Phôi tấm dạng dải có kích thức 600
3.3.3 Xây dựng mô hình vật liệu
Mô hình vật liệu được xác đinh từ kết quả thử kéo 3 mẫu theo 3 phương khác nhau đối với cùng một tấm vật liệu (hình 3.6)
Hình 3.6 Đường cong quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật
liệu SS400
3.3.3 Đặt điều kiện biên
Hệ số ma sát µ=0,1; Trục con lăn dưới cố định, con lăn dưới quay với vận tốc góc 1,05 rad/s tương ứng với 10 v/ph; Lượng
ép S = 1,6 mm; Thời gian lăn t = 3 s
3.4 Phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng số
Phôi tấm ban đầu thẳng, dần bị kéo vào khe hở giữa hai trục lăn,
bị biến dạng dạng uốn cong, đồng thời bị mỏng đi và bị cong lên
Trang 8với bán kính cong theo phương dọc xác định được là Rd = 480,45
mm, và bán kinh cong theo phương ngang Rn = 3322,9 mm
Hình 3.10 Bán kính cong theo phương dọc và phương ngang của tấm
Từ biểu đồ lực ta có thể thấy lực ép tăng dần từ 0 đến
97,5 Tấn, ứng với giai đoạn con lăn trên ép lên bề mặt của phôi
với lượng ép tăng từ 0 đến 1,6 mm Khi lăn, lực giảm đi và giữ
ổn định trong suốt quá trình là 54,6 Tấn
Hình 3.11 Biểu đồ lực lăn ép theo thời gian
Bảng 3.2 Tổng hợp kết quả mô phỏng trường hợp phôi tấm có chiều
Xây dựng hệ thống thực nghiệm dựa trên các cụm sau:
Máy ép thuỷ lực; Thiết bị lăn ép (cụm con lăn); Bộ phận điều
khiển hoạt động của máy ép thuỷ lực và thiết bị lăn ép; Hệ
thống đo áp suất - hành trình, ghi, lưu và xử lý dữ liệu nối trực tiếp
với máy tính có phần mềm điều khiển
a)Máy ép thủy lực
Máy ép thuỷ lực được lựa chọn có lực danh nghĩa 1500 Tấn
b) Thiết bị lăn ép
Trang 9Thiết bị lăn ép bao gồm hai con lăn, trên và dưới có đường kính, biên dạng đúng như thiết kế trong mô phỏng số Con lăn trên có biên dạng tang trống quay trơn trên trục và có khung giá để lắp với đầu trượt của máy ép thuỷ lực Con lăn dưới được dẫn động riêng bởi một động cơ thuỷ lực và lắp vào bàn máy ép thủy lực (hình 3.19, hình 3.20)
Hình 3.19 Máy ép thủy lực SBP-1500 T Hình 3.20 Thiết bị lăn ép
c) Mẫu thí nghiệm
Mẫu phôi tấm thí nghiệm có kích thước giống như trong mô phỏng là 600 mm x 80 mm x 20 mm được làm chế tạo từ tấm vật liệu có mác SS400
d) Thiết bị đo áp suất
Thiết bị đo áp suất được thiết kế theo yêu cầu đo đối với bài toán lăn ép, sau đó được chế tạo, lắp ráp và thử các chức năng bởi Phòng đo lường, Viện tên lửa, Bộ Quốc phòng
Để hiển thị và lưu giữ kết quả đo, ta sử dụng phần mềm
đo lường Dasy Lab 7.0 [4, 18] Cuối cùng, ta có toàn bộ cấu hình phần cứng hệ thống đo áp suất được thể hiện như hình 3.24 Thiết
bị đo áp suất đã được thử độ nhạy, độ chính xác và làm việc ổn định tại Phòng thí nghiệm Đo lường động học bay - Viện Tên lửa và đã được kiểm chuẩn tại Viện Đo lường Việt Nam
Hình 3.24 Thiết bị đo áp suất
Trang 10e) Thiết bị đo bán kính
Để đo bán kính của tấm sau khi lăn ép, ta sử dụng thiết
bị đo FARO Prime của CHLB Đức (hình 3.28) Độ chính xác cao nhất: 16μm; Độ lặp lại: ±16μm Thiết bị được kết nối máy tính, có phần mềm xử lý số liệu và hiển thị kết quả đo
Hình 3.28 Thiết bị đo FARO
f) Thiết bị đo lượng ép
Đo lượng ép, sự thay đổi chiều dày của phôi tấm bằng Đồng hồ đo điện tử chuyên dụng có mác hiệu 543-494B của hãng Mitutoyo - Nhật Bản (hình 3.29) Thông số kỹ thuật của thiết bị: Phạm vi đo: 0 - 50.8 mm; Độ hiển thị: 0.01 mm; Độ chính xác: ±0.01 mm
3.5.2 Thử nghiệm và kiểm tra kết quả mô phỏng số
Trình tự lăn ép
Bước 1: Khởi động hệ thống thiết bị
Bước 2: Khởi động máy ép thuỷ lực Đầu trượt mang con lăn trên đi xuống kẹp phôi đúng vị trí ban đầu, nằm giữa hai con lăn Đặt giá trị áp suất chất lỏng công tác ban đầu của xy lanh ép, đọc giá trị này trên màn hình hiển thị hệ thống đo (hình 3.25) Giá trị áp suất (đơn vị bar) sẽ được qui đổi tương đương với lực ép (đơn vị Tấn) Dưới tác dụng của lực ép, phôi tấm sẽ bị biến dạng
Hệ thống chống lún hoạt động giữ cho áp suất không đổi
Bước 3: Khởi động thiết bị lăn ép Con lăn dưới được đặt vận tốc quay 10 v/ph (tương ứng với 1,05 rad/s)
Bước 4: Cho con lăn dưới quay, dưới tác dụng của lực ép, con lăn trên quay theo, kéo phôi qua khe hở giữa hai con lăn Khi đi
Trang 11hết chiều dài phôi cần lăn, động cơ thuỷ lực phát động cho con lăn dưới dừng lại
Trong suốt quá trình, thiết bị đo, ghi áp suất hoạt động
sẽ đo, lưu dữ liệu và hiển thị đồ thị áp suất chất lỏng công tác trên màn hình máy tính
Bước 5: Đầu trượt mang con lăn trên đi lên, ta có thể gỡ phôi sau khi tạo hình ra khỏi thiết bị
Dựa trên áp suất chất lỏng công tác, ta qui đổi ra lực ép
So sánh đồ thị 3.31 và 3.11 ta có thể thấy được dạng đồ thị trong mô phỏng và thực nghiệm hoàn toàn tương đồng ở hai giai đoạn ép ban đầu và lăn ép
Hình 3.31 Đồ thị áp suất chất lỏng công tác trong suốt quá trình lăn ép
So sánh hình dạng của tấm sau khi lăn ép giữa thực nghiệm và mô phỏng biểu diễn trên hình 3.32 ta có thể thấy được kết quả về mặt hình dạng tấm bị uốn cong hoàn toàn tương đồng
Hình 3.32 Tấm sau khi lăn ép (thực nghiệm bên trái, mô phỏng bên phải)
Để đánh giá độ sai số giưa thực nghiệm và mô phỏng, ta tiến hành thực nghiệm với 6 mẫu thí nghiệm So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả mô phỏng số, ta có:
- Sai số trung bình về lực ép ban đầu 2,83%
- Sai số trung bình về lực lăn ép 3,01%
- Sai số trung bình bán kính dọc của sản phẩm: 3,5%
- Sai số trung bình bán kính ngang của sản phẩm: 3,18%
- Sai số về lượng ép ΔS: 3.12%
- Sai số về mức độ biến dạng theo phương chiều dày 2:1,23%
Trang 12Như vậy có thể kết luận được, các mô hình được xây dựng đảm bảo yêu cầu về độ chính xác, mô hình vật liệu phù hợp, các điều kiện biên thiết lập phù hợp với thực tế, kết quả
mô phỏng số tin cậy, có khả năng làm cơ sở để khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới quá trình tạo hình tấm và
độ chính xác của sản phẩm
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
Dựa trên trường phân bố ứng suất, biến dạng nhận được
từ mô phỏng cho phép ta phân tích bản chất, đánh giá quá trình lăn ép và đưa ra những kết luận về khoa học như:
Xét theo phương dọc, quá trình lăn ép xảy ra tương tự như quá trình cán không đối xứng trên hai trục có bán kính khác nhau Phôi tấm bị mỏng đi và dãn dài theo phương dọc
Sự khác nhau về đường kính con lăn dẫn đến dự chênh lệch về phân bố ứng suất và biến dạng theo phương dọc giữa hai bề mặt trên và dưới của tấm Độ chênh lệch mức độ biến dạng theo phương dọc giữa mặt trên và mặt dưới của phôi, cùng độ chênh lực kéo tiếp tuyến xuất hiện trên hai bề mặt tiếp xúc là lý
do cơ bản dẫn đến việc phôi tấm bị cong lên sau khi lăn ép
Xét theo phương ngang, quá trình biến dạng cong của tấm tương tự như uốn Phôi tấm có sự dãn rộng, nhưng không đáng
kể bán kính cong phụ thuộc chủ yếu vào giá trị lực ép con lăn trên lên tấm hay mức độ biến dạng theo phương chiều dày
Với việc so sánh kết quả mô phỏng số với thực nghiệm xây dựng trên thiết bị thực tế có thể khẳng định, việc thiết lập các
mô hình và mô phỏng số đạt độ chính xác theo yêu cầu (<5%)
CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN BÁN KÍNH CONG CỦA
SẢN PHẨM TẤM BẰNG MÔ PHỎNG SỐ
4.1 Các thông số công nghệ
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu trong chương 3, nội dung nghiên cứu của chương này sẽ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số như chiều dày ban đầu của tấm, lượng
ép và vận tốc lăn trong điều kiện biến dạng nguội, vật liệu tấm, biên dạng và bán kính các con lăn khảo sát như trong chương 3
