Luận án nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản khi lăn ép đến khả năng tạo hình tấm dày có biên dạng phức tạp ứng dụng trong công nghệ đóng tàu

Mục đích của đề tài Nghiên cứu xây dựng bài toán lăn ép dựa trên lý thuyết gia công áp lực; Lý giải các nguyên nhân hiện tượng phôi tấm cong khi lăn ép; Nghiên cứu ảnh hưởng của các thô

MỞ ĐẦU

Đối với mỗi quốc gia, công nghiệp hóa và hiện đại hóa luôn là yếu tố hết sức quan trọng, cần thiết thực hiện để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm Đối với Việt Nam, yêu cầu tiến hành công nghiệp hóa-hiện đại hóa để đưa nền sản xuất trở thành sản xuất lớn, luôn là nhiệm vụ cấp thiết, ưu tiên hàng đầu của đất nước trong giai đoạn hiện nay

Hiện nay, nhiều trường đại học, viện nghiên cứu đang tập trung vào việc nâng cao năng lực chuyên môn ở nhiều lĩnh vực, doanh nghiệp được trang bị kiến thức sâu hơn, áp dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật để nghiên cứu và chế tạo các thiết bị máy móc mà trước đây hoàn toàn phải tự nhập của nước ngoài

Trong vòng 10 năm qua, ngành đóng tàu giữ một vị trí quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp ở Việt Nam Nhu cầu chế tạo các chi tiết vỏ tàu với hình dạng phức tạp, độ chính xác cao, kích thước lớn ngày càng gia tăng tại các doanh nghiệp đóng tàu Với trình

độ hiện nay của các doanh nghiệp trong nước, để chế tạo các chi tiết vỏ có biên dạng phức tạp từ tấm dày, thì công nghệ sử dụng chủ yếu là cắt, gò, hàn, gia công nhiệt, hay tạo hình thủ công hoặc trên các thiết bị vạn năng, khuôn đơn giản Như vậy khó có khả năng đáp ứng được năng suất cũng như chất lượng cao của sản phẩm Hơn nữa những chi phí cho việc chế tạo vỏ tàu thường rất lớn, gây lãng phí mà vẫn không đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật

Trên thế giới, việc chế tạo các chi tiết vỏ tàu được thực hiện với những công nghệ hiện đại, cho phép tạo hình nhanh, chính xác như vê, miết, lăn ép, tạo hình cục bộ liên tục trên các thiết bị điều khiển số

Ở Việt Nam đã có những ý tưởng xây dựng hướng nghiên cứu công nghệ lăn ép và ứng dụng thử nghiệm trong sản xuất vỏ tàu thường có tải trọng vừa và nhỏ Tuy nhiên chưa

có tài liệu hoặc nghiên cứu cơ bản nào về các thông số trong quá trình lăn ép vỏ tàu thủy, để tạo hình các tấm cong biên dạng phức tạp theo yêu cầu của thiết kế Do đó, việc nghiên cứu công nghệ lăn ép hiện nay rất cần thiết Kết quả nghiên cứu là cơ sở để áp dụng, sản xuất chế tạo tại các nhà máy đóng tàu nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất cũng như chất lượng

Trên cơ sở đó, mục tiêu trong khuôn khổ luận án là thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ lăn ép đến khả năng tạo hình chi tiết vỏ tàu từ tấm dày,

là phát triển công nghệ lăn ép về mặt lý thuyết, đồng thời các kết quả nghiên cứu sẽ được

sử dụng khi thiết kế và chế tạo các chi tiết vỏ tàu Đề tài luận án được đề xuất như sau

“Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản khi lăn ép đến khả năng tạo

hình tấm dày có biên dạng phức tạp ứng dụng trong công nghệ đóng tàu”

I Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

1 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu xây dựng bài toán lăn ép dựa trên lý thuyết gia công áp lực; Lý giải các nguyên nhân hiện tượng phôi tấm cong khi lăn ép; Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản trong quá trình tạo hình bán kính cong của phôi tấm Từ đó, thiết lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và bán kính cong của tấm theo thiết kế, áp dụng trong chế tạo thử nghiệm các chi tiết trong vỏ tàu thuỷ

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

*) Đối tượng nghiên cứu:

- Thép tấm dày có mác SS400 được sử dụng phổ biến trong công nghiệp chế tạo vỏ tàu thủy

- Sản phẩm vỏ tàu thủy có biên dạng cong lồi

- Thiết bị thực nghiệm: Máy ép thủy lực 1500T, cụm con lăn ép được dẫn động riêng và lắp trên máy ép thủy lực

*) Phạm vi nghiên cứu:

- Lực ép: Từ 10 Tấn đến 180 Tấn

- Chiều dày phôi tấm: Từ 10mm đến 30mm

- Vận tốc lăn: Từ 5 v/ph đến 30 v/ph (tương đương với vận tốc 0.525 rad/s đến 3.14 rad/s)

Các nội dung nghiên cứu được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Gia công

áp lực - Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các Viện nghiên cứu, Nhà máy đóng tàu Hạ Long

II Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết với thực nghiệm

- Tìm hiểu các kết quả nghiên cứu đã công bố liên quan đến đề tài trong và ngoài nước, từ đó xây dựng cơ sở lý thuyết cho công nghệ lăn ép

- Nghiên cứu lý thuyết dựa trên tính toán, phân tích giải tích và mô phỏng số

- Nghiên cứu thực nghiệm, xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm trên máy công nghiệp, sử dụng thiết bị đo và các phần mềm đo hiện đại có ở Việt Nam, dữ liệu xử lý số liệu cho kết quả đảm bảo độ tin cậy

- Sử dụng phần mềm Matlab để xây dựng hàm và đồ thị quan hệ giữa các thông số công nghệ với bán kính sản phẩm tạo hình

III Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

1 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 hiện tượng phôi cong khi tạo hình tấm trên trục lăn có biên dạng tang trống, đường kính cặp trục lăn 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 dựa trên mô phỏng số

- 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 nghiệm, 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

- Luận án được sử dụng làm tài liệu tham khảo phục vụ cho việc giảng dạy, nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực chuyên ngành

2 Ý nghĩa thực tiễn

- Kết quả nghiên cứu mở ra khả năng ứng dụng công nghệ tạo hình mới cho độ chính xác và năng suất cao khi gia công chế tạo các chi tiết vỏ tàu thủy trong điều kiện Việt Nam

- 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, tạo tiền đề cho lĩnh vực 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

IV Các đóng góp mới của luận án

- Giải thích được hiện tượng phôi tấm biến dạng cong trong 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 tới bán kính sản phẩm khi tạo hình bằng công nghệ 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 chính và bán kính sản phẩm tạo hình

V Các nội dung chính trong luận án

- Nghiên cứu công nghệ lăn ép trong tạo hình chi tiết tấm dày có biên dạng phức tạp

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính như: lực ép, mức độ biến dạng, vận tốc lăn tới bán kính cong của sản phẩm tấm dựa trên mô phỏng số

- Xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm tra, đánh giá các kết quả tính toán mô phỏng

- Xây dựng hàm số thể hiện mối quan hệ giữa các thông số công nghệ chính với bán kính cong của sản phẩm dựa trên thực nghiệm

- Ứng dụng kết quả nghiên cứu trong chế tạo thử chi tiết vỏ tàu để minh chứng tính hiệu quả của công nghệ lăn ép

Luận án ngoài các mục quy định và phần mở đầu được trình bày trong 5 chương Chương 1 tóm lược những nét chính về công nghệ tạo hình chi tiết vỏ từ tấm dày Trong chương này đã đề cập đến các dạng chi tiết vỏ tàu thuỷ có biên dạng phức tạp và công nghệ hiện hành được sử dụng để tạo hình các chi tiết vỏ Đặc biệt đã xem xét đến một phương pháp công nghệ mới, công nghệ lăn ép, cho hiệu quả cao khi tạo hình các chi tiết vỏ tàu thuỷ Từ những kết quả tìm hiểu tài liệu, các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, đã

đề xuất hướng, nội dung nghiên cứu cho luận án Cơ sở lý thuyết công nghệ lăn ép được trình bày ở chương 2, trong đó đã nghiên cứu bài toán lăn ép dựa trên lý thuyết cán không đối xứng, tìm hiểu các thông số công nghệ chính ảnh hưởng tới quá trình tạo hình cũng như bán kính cong của tấm sau khi lăn Chương 3 trình bày quá trình thực hiện mô phỏng

số bài toán lăn ép và xây dựng thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả mô phỏng số Chương 4 trình bày các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến bán kính cong của sản phẩm tấm dựa trên mô phỏng số Việc xây dựng mối quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm và các thông số công nghệ dựa trên thực nghiệm được trình bày trong chương 5 Trong chương này cũng trình bày các hình ảnh sản phẩm vỏ tàu thuỷ được chế tạo thử nghiệm bằng công nghệ lăn ép

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH CHI TIẾT VỎ TỪ

TẤM DẦY 1.1 Các chi tiết tấm hình dạng phức tạp, cỡ lớn trong công nghiệp đóng tàu

Trong công nghiệp đóng tàu, vỏ và máy tàu là hai yếu tố quan trọng, chiếm tỷ trọng lớn nhất về giá trị con tàu, cho nên công nghiệp đóng tàu trước hết cần tập trung đầu tư vào công nghệ chế tạo vỏ tàu thủy để nâng cao hiệu quả, và tiết kiệm chi phí sản xuất, tăng năng lực cạnh tranh

Theo [13, 14, 20] cấu tạo của thân vỏ tàu được ghép lại bởi các tấm có biên dạng cong phức tạp Các biên dạng này đóng vai trò rất quan trọng trong chuyển động của tàu trong môi trường nước

Vỏ tàu thuỷ được chế tạo từ nhiều chi tiết tấm có chiều dày, biên dạng cong phức tạp Việc chế tạo các chi tiết này chủ yếu dựa trên các phương pháp tạo hình truyền thống như uốn, nắn, tạo hình bằng gia nhiệt hay lốc các tấm có kích thước nhỏ trên các thiết bị máy ép vạn năng sau đó hàn ghép lại [1, 8, 16] Như vậy, năng suất cũng như chất lượng sản phẩm không cao Trong khi đó các chi tiết vỏ tàu thủy thường có biên dạng cong phức tạp Độ chính xác và năng suất chế tạo tấm cong phức tạp trong vỏ tàu thủy luôn là một vấn đề cần quan tâm nghiên cứu Việc tạo hình các tấm kim loại theo thiết kế và điều khiển được các thông số công nghệ như lực ép, mức độ biến dạng, vận tốc lăn…v.v là mục tiêu

mà các nhà máy kỹ thuật hướng tới

Dưới đây, trình bày một vài vài hình ảnh tấm có biên dạng cong ứng dụng trong đóng vỏ tàu thủy hiện nay

Hình 1.1 Tấm có biên dạng cong phức tạp sử dụng trong sản xuất vỏ tàu

Các chi tiết vỏ tàu được chế tạo và lắp ráp ngay tại công trường, nên công nghệ chế tạo đòi hỏi đơn giản, dễ vận chuyển, linh hoạt, dễ tự động hóa, thuận tiện cho việc lắp ráp thành vỏ con tàu lớn

Hình 1.2 Hình ảnh vỏ tàu thủy [13]

1.2 Các phương pháp tạo hình chi tiết vỏ

Công nghệ tạo hình tấm đã được nghiên cứu, ứng dụng rất phổ biến trong ngành cơ khí Các công nghệ tạo hình tấm truyền thống như dập vuốt, uốn, nắn, tóp lên vành được thực hiện bằng khuôn lắp trên máy ép trục khuỷu hay máy ép thủy lực [1, 9, 15] Hầu hết các chi tiết, sản phẩm tuy có biên dạng phức tạp, nhưng có chiều dày không lớn (thường nhỏ hơn 2,0 mm) và được ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp dân dụng, hóa chất, ô tô, xe máy, quốc phòng

Đối với ngành công nghiệp chế tạo vỏ tàu thủy thì các phương pháp công nghệ tạo hình trên không phù hợp, bởi các chi tiết vỏ tàu là các tấm lớn có biên dạng cong phức tạp chiều dày từ 10 mm đến 30 mm [9] Công nghệ chế tạo vỏ tàu thủy hiện vẫn thường sử dụng các nguyên công đơn giản để tạo hình các chi tiết có biên dạng phức tạp, kích thước lớn như uốn tự do, gia nhiệt cục bộ, uốn lốc [16] Các tấm lớn được tách thành các tấm

có các hình dạng nhỏ và đơn giản hơn sau đó nối lại bằng phương pháp hàn

1.2.1 Phương pháp uốn

Uốn là một phương pháp nhằm biến đổi các phôi có trục thẳng thành các chi tiết có trục cong Phương pháp này đảm bảo độ cong đồng đều của tấm Nếu uốn tự do và mức độ biến dạng nhỏ, thì độ chính xác của tấm phụ thuộc rất lớn vào năng lực và tay nghề của người công nhân Thời gian gia công dài,phải tạo hình từ từ và thường xuyên cần dưỡng kiểm tra biên dạng Hiện nay, ngành đóng tàu sử dụng chủ yếu phương pháp này bởi các tấm thường lớn, khó có thể uốn bằng khuôn Nếu sản xuất tự động thì cần có thiết bị phù hợp [10, 13, 14, 20, 61] để thực hiện vận chuyển và đưa phôi vào máy

Phương pháp uốn được mô tả như hình dưới đây (hình 1.3, hình 1.4)

Hình 1.3 Sơ đồ uốn trên khuôn [9, 16]

Hình 1.4 Một số hình ảnh uốn phôi tấm trên máy ép thủy lực

Ưu điểm : Khuôn có kết cấu đơn giản, dễ dàng thực hiện trên các máy thủy lực với lực danh nghĩa lớn 200T÷1500T Sản phẩm uốn đa dạng, có thể tạo ra các chi tiết có bán kính cong lớn và được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau

Nhược điểm: Khó tạo được những biên dạng cong phức tạp, phải kết hợp với các phương pháp khác như cắt rời, cắt hình, hàn, ghép để tạo được chi tiết phức tạp, sản phẩm

có độ chính xác không cao, quá trình tạo hình mất nhiều thời gian

1.2.2 Tạo hình dựa trên biến dạng nhiệt

Nhiều chi tiết có biên dạng phức tạp nên trước hết phải uốn chi tiết thành các biên dạng cong cơ bản (cong theo một phương), sau đó gia nhiệt cục bộ Biến dạng nhiệt làm cho tấm bị dãn nở cục bộ và cong lên Nếu lựa chọn vị trí gia nhiệt hợp lý, ví dụ như gia nhiệt ở vị trí mép ngoài tấm làm chiều dài mép ngoài tăng lên, như vậy có thể làm cho tấm

bị cong theo các phương khác nhau và tạo ra tấm cong 3D (hình 1.5)

Hình 1.5 Một số hình ảnh chế tạo tấm cong từ phôi thép phẳng bằng phương pháp gia nhiệt cục bộ

bằng ngọn lửa Oxy - Axetylen

Trong quá trình gia nhiệt có thể xảy ra đồng thời hai hoặc nhiều dạng biến dạng bao gồm: biến dạng dọc, ngang, góc, xoắn và uốn cong

Các chi tiết tấm sau khi tạo hình được ghép nối theo phương pháp hàn truyền thống

Hình 1.6 Kết cấu hàn trong cấu tạo thân vỏ tàu [20]

Biến dạng xảy ra do sự co ngót không đều của mối hàn và kim loại cơ bản khi nung nóng, làm nguội, ứng suất xuất hiện ở mối hàn là kết quả của những thay đổi về thể tích, của các kết cấu kẹp Có thể gây biến dạng kết cấu vỏ, làm giảm độ chính xác, thậm chí có thể gây xé rách hoặc đứt gãy [13, 14, 20]

Có nhiều yếu tố gây nên biến dạng sau khi hàn và khó dự báo chính xác mức độ biến dạng có thể xảy ra Một số yếu tố cần được xem xét bao gồm hệ thống gá kẹp, đặc tính nhiệt và các tính chất của vật liệu gốc; ứng suất dư được sinh ra từ quá trình gia công kim loại trước đó như cán, tạo hình và uốn; kiểu mối hàn; độ chính xác gia công và bản chất của quá trình hàn, tính đối xứng của mối nối, gia nhiệt trước và trình tự hàn

Ưu điểm: Phương pháp đơn giản, có thể chế tạo được các chi tiết có kích thước lớn Vì được hàn ghép nối từ các chi tiết nhỏ nên có thể chế tạo được các sản phẩm có hình dạng

và kích thước rất đa dạng

Nhược điểm: Sản phẩm có độ chính xác thấp, thời gian chế tạo dài nên năng suất thấp Kết cấu vỏ có độ bền không đồng đều bởi nhiều vị trí chịu ảnh hưởng của nhiệt làm thay đổi tổ chức vật liệu

1.2.3 Uốn lốc trên máy 3 trục, 4 trục

Khi chế tạo các chi tiết biên dạng trụ hoặc côn, đường cong hở hoặc khép kín, có thể sử dụng công nghệ uốn lốc trên các máy uốn 3 trục, 4 trục Phôi thép được cuốn vào các trục và bị uốn cong bởi chuyển động của các trục lăn theo nguyên lý uốn, lốc [13, 14,

Hình 1.7 Một số hình ảnh uốn phôi thép tấm trên máy uốn lốc 3 trục [1, 16, 22]

1.2.4 Miết trên máy chuyên dụng

Miết là một phương pháp gia công kim loại bằng áp lực nhằm tạo hình chi tiết rỗng

từ phôi phẳng hoặc phôi rỗng dựa vào chuyển động quay của phôi dưới tác dụng của lực

công tác làm biến dạng dẻo cục bộ tại một vị trí trên phôi quay [9, 16, 22, 57, 71]

Hình 1.8 Một số hình ảnh về máy miết & sản phẩm được tạo hình bằng phương pháp miết [1, 85, 87]

Ưu điểm: Sản phẩm có chất lượng, độ chính xác cao, quá trình tạo hình linh hoạt và cho năng suất cao, có thể tạo hình được với nhiều loại vật liệu như thép, thép không gỉ, các kim loại nhẹ như nhôm, titan và các kim loại khác như đồng, niken, volfram

Nhược điểm: Thường được sử dụng để tạo hình các chi tiết dạng rỗng có đối xứng trục, ví dụ như các chi tiết hình chỏm cầu Kích thước bị hạn chế bởi không gian làm việc của máy

1.2.5 Cán không đối xứng

Cán không đối xứng (hình 1.9) là quá trình cán trong đó các thông số hình học như đường kính trục cán, biên dạng thông số quá trình như: hệ số ma sát giữa phôi và 2 trục, nhiệt độ của 2 trục cán, vận tốc, mô men của 2 trục cán không giống nhau Sản phẩm khi

cán qua trục cán có biên dạng cong [38, 39, 40, 83]

Hình 1.9 Sơ đồ cán không đối xứng [38]

Với đường kính trục cán, ma sát, hoặc tốc độ cán không giống nhau phôi tấm bị biến dạng không đồng đều tại mặt trên và dưới, do đó sản phẩm tấm bị uốn cong về phía trục có đường kính nhỏ hơn, hoặc cong về phía bề mặt ít bị cản trở hơn [74, 83]

Ưu điểm: Sản phẩm có biên dạng cong phức tạp, chất lượng bề mặt sản phẩm cao

Nhược điểm: Quá trình cán không đối xứng để tạo biên dạng cong thường là cán nóng, do vậy việc điều khiển các thông số công nghệ trong quá trình cán không đối xứng khá phức tạp Để tạo được hình dáng cong theo yêu cầu cần xác định được các thông số công nghệ một cách chính xác

1.2.6 Công nghệ lăn ép

Lăn ép là công nghệ tạo hình chi tiết từ phẳng thành cong hoặc cong từ bán kính lớn thành cong với bán kính nhỏ hơn Phôi tấm được hai trục lăn quay, kéo qua khe hở

giữa hai trục lăn, dưới tác dụng của lực ép từ hai con lăn ép lên phôi Sau khi ra khỏi khe

hở giữa hai trục lăn, phôi bị biến dạng cong lên (hình 1.10) Như vậy, lăn ép có thể coi tương tự như trường hợp cán không đối xứng Nhưng khác ở điểm, trong quá trình cán, phôi đi thẳng sau khi ra khỏi khe hở cán, chiều dày giảm đi, chiều dài tăng lên, còn trong

lăn ép, phôi bị biến dạng cong nhưng cố gắng giảm thiểu sự mỏng của phôi tấm [37, 92]

Hình 1.10 Một số hình ảnh về thiết bị lăn ép & sản phẩm được tạo hình bằng phương pháp lăn ép

Ưu điểm: Phương pháp này cho năng suất cao, sản phẩm có chất lượng và độ chính xác cao, sản phẩm có thể tạo được nhiều biên dạng phức tạp Các sản phẩm được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp đóng tàu

Nhược điểm: Sản phẩm có hiện tượng biến mỏng, cần phải hạn chế biến mỏng phôi trong quá trình sản xuất

1.3 Những kết quả nghiên cứu về công nghệ lăn ép

1.3.1 Trên thế giới

Theo [85, 86, 87, 88, 89, 92], khi công nghệ đóng vỏ tàu thuỷ trên thế giới phát triển mạnh mẽ, đòi hỏi nâng cao năng suất và chất lượng vỏ tàu thì các phương pháp dập, tạo hình cục bộ, uốn tự do… chỉ có thể đáp ứng được việc tạo hình các chi tiết vỏ tàu có trọng tải nhỏ, chiều dày từ 5 đến 10 mm Đối với các con tàu có tài trọng lớn trên 10.000 Tấn, các chi tiết vỏ tàu thường có chiều dày từ 10 đến 30 mm, thì các phương pháp tạo hình truyền thống không cho hiệu quả sản xuất cũng như độ chính xác biên dạng vỏ không đúng như thiết kế Việc hiệu chỉnh biên dạng thủ công gặp nhiều khó khăn bởi chi tiết thường lớn, nặng, biên dạng phức tạp Vì vậy, ở một số nơi đã tiến hành nghiên cứu thử nghiệm và

áp dụng phương pháp uốn lốc để tạo hình nhưng chi tiết có biên dạng cong theo một phương (cong 2D), một phần nhỏ thử nghiệm phương pháp cán không đối xứng để tạo hình những chi tiết có biên dạng cong theo nhiều phương (cong 3D) Phương pháp cán không đối xứng được áp dụng với mong muốn tạo hình được biên dạng cong của chi tiết,

nhưng chiều dày của chi tiết ít thay đổi để đảm bảo độ bền và dễ dàng hàn ghép với các chi tiết khác Trên cơ sở đó, phương pháp mới ra đời và gọi tên là Lăn ép [89] Các công trình nghiên cứu về lăn ép dựa trên lý thuyết về cán không đối xứng để xác định các thông số công nghệ, bởi chúng có nhiều điểm tương đồng về mặt cơ sở lý thuyết [92]

Các hướng nghiên cứu trong công nghệ lăn ép (hay cán không đối xứng) chủ yếu tập trung vào những thông số vật liệu, hình học của trục lăn và các thông số công nghệ như:

- Ma sát trong quá trình biến dạng giữa trục và phôi;

Công nghệ lăn ép thích hợp với nhiều loại vật liệu, tuy nhiên vật liệu được quan tâm nhiều vẫn là thép Các vật liệu như hợp kim nhôm, hợp kim magiê, hợp kim đồng cũng được nhắc đến, nhưng chủ yếu là các tấm mỏng có chiều dày từ 6 mm [28, 43, 66] trở xuống và nếu sử dụng trong vỏ tàu thì chủ yếu là tàu cao tốc và tạo hình bằng phương pháp dập, tạo hình cục bộ liên tục trên các thiết bị điều khiển số

Quá trình tạo hình lăn ép tương tự như cán không đối xứng, tức là bán kính trục, tốc độ, hệ số ma sát trên mặt tiếp xúc giữa phôi và hai trục là khác nhau Kim loại khi đi qua vùng biến dạng (khe hở giữa hai trục) có chiều dày ban đầu S1, khi ra khỏi khe hở giữa hai trục có chiều dày S2 và tấm kim loại sẽ cong lên (hình 1.11)

Hình 1.11 Sơ đồ thể hiện quá trình lăn không đối xứng [76]

Nghiên cứu vùng biến dạng, khảo sát tiếp xúc giữa phôi với trục trên, phôi với trục dưới trong những điều kiện thông số hình học, động học, động lực học của hai trục khác nhau, sẽ đánh giá được vật liệu bị biến dạng và cong như thế nào Vùng biến dạng được chia thành 3 vùng

Vùng I được gọi là vùng trễ bởi tốc độ dài của con lăn lớn hơn phôi tấm Hướng của lực

ma sát giữa con lăn và phôi tấm cùng chiều với hướng chuyển động của tấm Vùng II: Tốc độ của tấm chậm hơn con lăn dưới và nhanh hơn con lăn trên Lực ma sát sinh ra ở bề mặt trên của tấm ngược chiều với hướng chuyển động của tấm, lực ma sát sinh ra ở bề mặt dưới của tấm lại cùng chiều với hướng chuyển động của tấm Vùng III: Tốc độ dài của con lăn trên và con lăn dưới nhanh hơn tốc độ dài của phôi tấm, nên vùng này được gọi là vùng vượt trước Lực ma sát giữa con lăn trên và dưới phôi tấm có hướng cùng hướng chuyển động của phôi Vận tốc dài ở bề mặt phôi tấm tiếp xúc với con lăn dưới lớn hơn bề mặt ngoài của phôi tấm tiếp xúc với con lăn trên Các kết quả nghiên cứu trong [30, 38, 41, 49, 58, 60, 76, 90, 91] chỉ

ra rằng, nếu mức độ biến dạng lớn ví dụ khi cán tấm nóng, 3 vùng này sẽ có sự phân biệt rõ ràng, nhưng nếu mức độ biến dạng nhỏ thì có thể coi như đây là một vùng biến dạng [24, 52, 73], lực ma sát giữa phôi và con lăn dưới cùng chiều với chiều chuyển động của phôi tấm, trong khi đó lực ma sát giữa phôi và con lăn trên lại ngược chiều với chiều chuyển động của phôi Trên cơ sở phân tích chiều của lực ma sát, có thể nhận thấy phôi tấm sẽ bị cong lên trên bởi lực ma sát sẽ sinh ra một mô men uốn phôi quanh tâm của trục con lăn trên

Các kết quả nghiên cứu trong các công trình [24, 29, 30, 34, 38, 41, 42, 49, 55, 58,

60, 76], hầu hết đều chỉ ra lực khi lăn ép là yếu tố quan trọng tạo ra biến dạng của tấm, làm tấm giảm chiều dày khi qua khe hở giữa hai con lăn Phôi tấm bị cong sau khi lăn ép có thể

do nhiều yếu tố như bán kính hai trục, vận tốc góc, ma sát trên trục với phôi kim loại khác nhau, nhưng lực khi lăn ép vẫn là yếu tố cần xác định bởi nó quyết định đến việc tạo ra tấm

có biên dạng cong Lực lăn ép phụ thuộc vào phôi biến dạng, lượng ép, tỷ số vận tốc góc,

tỷ số bán kính của các trục [43, 47, 49, 50, 69, 70, 76] Đối với từng loại vật liệu, có thể xác định được mối quan hệ giữa lực và mức độ biến dạng dựa trên mô hình bài toán và đường cong chảy của vật liệu [60, 61, 62, 74, 76, 84] Trường hợp 2 con lăn giống nhau về đường kính, lực lăn ép giảm đi khi vận tốc của trục dưới lớn hơn trục trên (hình 1.12) Phân bố áp lực trên chiều dài cung tiếp xúc cũng phụ thuộc vào tỷ số giữa tốc độ của hai trục lăn Khi tốc độ 2 trục lăn bằng nhau, phân bố áp lực trên cung tiếp xúc được thành 2 vùng, Khi tỉ số tốc độ hai trục lăn tăng lên, áp lực phân bố sẽ tách ra làm 3 vùng (hình 1.13) Như vậy, yếu tố vận tốc cũng rất cần được xem xét vì chúng có ảnh hưởng đến lực lăn ép và là một trong những yếu tố tạo biến dạng cong cho tấm

Tốc độ lăn ảnh hưởng đáng kể đến biến dạng phôi kim loại và phân bố ứng suất, biến dạng trong phôi, đặc biệt khi tạo hình ở trạng thái nóng Trong biến dạng nguội, tốc độ không ảnh hưởng nhiều đến trạng thái ứng suất của phôi, nhưng cũng cần được xem xét bởi khi hai con lăn có bán kính khác nhau, sẽ làm cho vận tốc dài trên hai bề mặt phôi tiếp xúc với hai trục lăn khác nhau và đây là nguyên nhân gây nên biến dạng không đồng đều trên phôi [24, 52, 72, 73, 82] Nghiên cứu của các tác giả [36,52, 60, 68] chỉ ra biến dạng dẻo thường ở bề mặt trên và dưới của tấm và là nhân tố chủ yếu tạo ra độ cong Lực, moment và áp lực tác động lên trục sẽ giảm khi tỉ số vận tốc góc tăng lên Chiều dài vùng biến dạng tăng lên cùng với tỉ số vận tốc Tuy nhiên, vùng biến dạng không nhất thiết dẫn tới sự tăng độ cong tấm Độ cong tấm cũng phụ thuộc vào chiều dày tấm ban đầu, mức độ

ép Thông thường, tấm sẽ uốn cong theo bề mặt có mức độ biến dạng dẻo nhỏ hơn Biến dạng dẻo phụ thuộc vào vận tốc góc, yếu tố hình dạng và điều kiện ma sát trên bề mặt tiếp xúc Sự không đồng đều của vận tốc góc của trục lăn dẫn đến phân bố ứng suất pháp và ứng suất tiếp, chiều dài vùng biến dạng, độ cong của tấm thay đổi Lực và moment giảm đi khi tăng các tỉ số vận tốc góc của con lăn dưới và con lăn trên Sự chênh lệch vận tốc góc giữa 2 trục sẽ làm cho ma sát và chiều dài cung tiếp xúc thay đổi và làm tăng bán kính cong của sản phẩm tấm Độ cong tấm phụ thuộc vào sự phân bố biến dạng trên tấm

Hình 1.12 Lực phụ thuộc vào tỷ số v 2/v1 [76]

Hình 1.13 Phân bố áp lực lăn trên cung tiếp xúc tỷ số tốc độ thay đổi [34,76]

Lực ma sát phụ thuộc vào phân bố áp lực trên bề mặt tiếp xúc giữa phôi và trục lăn, trạng thái bề mặt phôi cũng như bề mặt trục lăn Lực ma sát có ảnh hưởng đến lực lăn ép Khi hai trục có hình dạng, bán kính khác nhau sẽ làm cho lực ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa phôi với hai trục cũng không giống nhau [31, 32, 34, 47] Các công trình nghiên cứu này đưa ra một giả định coi trục lăn là cứng tuyệt đối và chỉ có phôi tấm biến dạng dẻo trong quá trình tạo hình Ứng suất phân bố đều trên bề mặt tiếp xúc, hệ số ma sát coi như hằng số, thì chiều dài cung tiếp xúc giữa phôi và hai trục khác nhau bởi hai trục có bán kính khác nhau nên tổng lực

ma sát và mức độ biến dạng của tấm ở biên trên và dưới là khác nhau

Các nghiên cứu trong tài liệu [21, 24, 30, 31, 32, 33, 36, 44, 50, 62, 77] cho rẳng, khi mức độ biến dạng nhỏ, có thể đơn giản mô hình khảo sát bằng cách coi hệ số ma sát là không đổi Như vậy, tấm sẽ bị cong do tính không đối xứng của mô hình lăn ép Bán kính cong của tấm chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau : độ dày phôi tấm, mức độ biến dạng, bán kính trục cán và hệ số ma sát của trục cán trên và dưới (µ1 và µ2) Các kết quả nghiên cứu đều dựa trên

cơ sở nếu µ1 = µ2 thì phôi tấm sẽ đi thẳng sau khi ra khỏi khe hở giữa hai trục lăn

Khi µ1 µ2, phôi cán sẽ bị uốn cong khi qua khe hở cán Bán kính cong của tấm có thể thay đổi khi hệ số ma sát tiếp xúc giữa phôi và con lăn, tỉ số hệ số ma sát thay đổi (hình 1.14)

Hình 1.14 Tấm cong khi hệ số ma sát giữa phôi với hai trục lăn khác nhau [32]

Các kết quả nghiên cứu trong [32, 37] về bán kính cong của tấm đạt được khi thay đổi tỷ số hệ số ma sát, mức độ ép, bán kính trục và chiều dày phôi tấm đã chỉ ra rằng, mức

độ ép tỉ lệ nghịch với bán kính cong của sản phẩm, bán kính trục chỉ có tác dụng khi tỷ số

ma sát lớn, phôi càng dày sẽ càng khó khăn cho việc tạo bán kính cong (hình 1.15, hình 1.16, hình 1.17)

a) Mức độ ép 10% b) Mức độ ép 15% c) Mức độ ép 20%

Hình 1.15 Ảnh hưởng của mức độ ép tới bán kính cong của tấm khi tỷ số hệ số ma sát con lăn trên

và con lăn dưới (µ2/µ1) thay đổi [32]

a) Bán kính trục cán 850 b) Bán kính trục cán 900 c) Bán kính trục cán 950

Hình 1.16 Ảnh hưởng của bán kính trục cán đến bán kính cong của sản phẩm [32]

a) Chiều dày 9 mm b) Chiều dày 12 mm c) Chiều dày 15 mm

Hình 1.17 Sự thay đổi của bán kính cong với chiều dầy và hệ số ma sát khác nhau [32]

Biến dạng ở trạng thái nóng thường chỉ sử dụng để tạo hình các chi tiết dạng vành rộng Chi tiết sẽ có bán kính tăng dần trong quá trình lăn ép khi tấm bị mỏng đi Nhiệt độ

là một trong những yếu tố quan trọng có ảnh hưởng đến lực, trạng thái tiếp xúc giữa phôi

và trục Trong biến dạng nóng, qui luật ma sát tuân theo định luật Tresca [22, 29, 63, 64, 90] Khi biến dạng ở trạng thái nguội, qui luật ma sát tuân theo cả định luật Culông Trong

các tài liệu [30, 34, 36, 44, 77] đều nhận định, khi lăn ép phôi tấm ở trạng thái nguội, không bôi trơn, bề mặt của trục và phôi nhẵn, có thể chọn hệ số ma sát từ 0,095 đến 1,06

Nhiều tác giả [42, 54, 55, 56, 68, 69, 80] đã áp dụng mô hình giải tích để xác định lực ép phụ thuộc vào mức độ ép, tỉ số tốc độ trục lăn, tỉ số ma sát lên 2 trục với phôi hay tỉ

số bán kính của 2 trục lăn Tuy nhiên mô hình giải tích áp dụng cho bài toán lăn không đối xứng chỉ có thể xét tại một mặt cắt, không khảo sát được với mô hình 3D Hơn nữa, để có thể giải được các phương trình vi phân, cần đơn giản hoá điều kiện biên của bài toán, chính

vì vậy kết quả tính toán giải tích có thể chỉ áp dụng hiệu quả trong trường hợp uốn lốc, hay lăn ép trên hai trục có biên dạng hình trụ

Một số tác giả [45, 47, 53, 78, 81, 89, 91] nghiên cứu quá trình lăn ép với mức độ biến dạng lớn bằng thực nghiệm, với mục đích để xem xét sự phá huỷ của tấm khi có sự chênh lệch lớn về mức độ biến dạng giữa mặt dưới và mặt trên của phôi Các tài liệu kết luận rằng với mức độ ép trên 40 % mới có thể xuất hiện vết nứt tế vi trong vật liệu

Một số tác giả [35, 38, 40] đề xuất ứng dụng mô phỏng số để nghiên cứu quá trình tạo hình, nhưng kết quả ban đầu chỉ đưa ra khả năng ứng dụng công nghệ cho các bài toán cán không đối xứng

Lĩnh vực phát triển thiết bị và tự động hoá cũng được các tác giả [75, 79] đề cập đến Thiết bị hiện nay có nhiều hãng cung cấp các hệ thống máy và hệ thống tự động bài bản Tuy nhiên, việc thiết kế hệ thống sản xuất cần có các kết quả nghiên cứu về công nghệ

để thiết kế máy và hệ thống tự động phù hợp hơn

Như vậy, qua tìm hiểu các công trình nghiên cứu trên thế giới, có thể thấy rằng việc tạo ra bán kính cong của sản phẩm sau khi lăn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như lực ép, mức

độ biến dạng, ma sát tiếp xúc giữa phôi và các trục lăn, vận tốc góc của trục lăn và cả chiều

dày của tấm

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Công nghệ tạo hình các chi tiết vỏ từ tấm dày chủ yếu được thực hiện ở các doanh nghiệp sản xuất, trong các trường đại học và các viện nghiên cứu rất ít đề cập đến công nghệ tạo hình các chi tiết tấm dày có kích thước lớn Các nhà kỹ thuật ở Việt Nam chủ yếu công bố các kết quả nghiên cứu tạo hình các chi tiết tấm mỏng bằng phương pháp dập tấm Tạo hình các chi tiết tấm dày chủ yếu được thực hiện ở doanh nghiệp bằng công nghệ uốn

tự do kết hợp với gia công nhiệt cục bộ để tạo biên dạng cong, sau đó ghép các chi tiết nhỏ bằng phương pháp hàn để tạo thành tấm vỏ cỡ lớn, không có một nghiên cứu nào khảo sát

độ chính xác cũng như chất lượng sản phẩm của công nghệ truyền thống này

Công nghệ cán được nhiều nhà kỹ thuật quan tâm và nghiên cứu không chỉ có các trường đại học, viện nghiên cứu mà còn cả doanh nghiệp Các nghiên cứu tập trung vào khảo sát các thông số công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng phôi tấm như: độ không đồng đều của phương dọc và phương ngang Nghiên cứu công nghệ cán chủ yếu tập trung vào vật liệu thép

Công nghệ tạo hình tấm phẳng thành sản phẩm có biên dạng trụ, côn, chỏm cầu như uốn lốc, miết, vê đã được nghiên cứu và được công bố ở khá nhiều tạp chí, hội thảo [7] Các phương pháp công nghệ này chủ yếu được nghiên cứu chỉ ở khả năng tạo hình và

đề xuất xây dựng thiết bị chứ chưa nghiên cứu về bản chất, xây dựng lý thuyết cho quá trình tạo hình cục bộ Hơn nữa, các phương pháp công nghệ này phù hợp cho việc tạo hình các chi tiết tấm cong theo một phương, việc tạo hình tấm cong theo nhiều phương không thực hiện được

Công nghệ dát trên trục lăn nhằm giảm chiều dày và tăng đường kính chi tiết có những đặc điểm giống như công nghệ lăn ép đã được nghiên cứu trong các tài liệu [8] Kết quả nghiên cứu này đã ứng dụng để tính toán bài toán dát vành ở trạng thái nóng và khảo sát bán kính cong của vành thay đổi như thế nào trong quá trình phôi liên tục bị mỏng đi dưới tác dụng của lực lăn ép

Công nghệ lăn ép được đề xuất nghiên cứu của nhóm các tác giả thuộc bộ môn Gia Công áp lực - trường Đại học Bách khoa Hà Nội Mục đích nghiên cứu là tạo hình chi tiết tấm có bán kính cong thay đổi, nhưng mới chỉ dừng lại ở mức độ lý thuyết, tính toán giải tích và xây dựng thiết bị thử nghiệm để đánh giá khả năng công nghệ Kết quả từ đề tài [92] chỉ dừng lại ở khảo sát tính toán giải tích lực lăn ép phụ thuộc vào mức độ biến dạng,

đề xuất phương pháp mô phỏng số để khảo sát ảnh hưởng các thông số công nghệ, xây dựng cụm con lăn ép và thử khả năng tạo hình đối với chi tiết phôi dải Các nghiên cứu về biên dạng của con lăn đã khảo sát các trường hợp cả 2 con lăn có biên dạng trụ, con lăn trên có biên dạng tang trống, con lăn dưới có dạng lõm Kết quả nghiên cứu cho thấy trường hợp cả hai con lăn có biên dạng trụ chỉ thích hợp cho uốn lốc, tạo hình các chi tiết tấm có dạng trụ, côn Con lăn trên có biên dạng lồi, con lăn dưới có biên dạng lõm chỉ thích hợp khi bán kính tang trống rất lớn, nếu không sẽ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt của tấm

Như vậy, trong nước chưa có một nghiên cứu mang tính hệ thống và sâu để có thể

áp dụng công nghệ lăn ép trong công nghiệp đặc biệt trong công nghệ đóng vỏ tàu thủy

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Qua nghiên cứu, khảo sát công nghệ tạo hình các chi tiết vỏ tàu thủy từ tấm dày trong và ngoài nước có thể nhận thấy rằng hướng công nghệ được đề xuất của nhiều nghiên cứu trên thế giới đều tập trung vào lăn ép bởi khả năng cho phép tự động hóa cao, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm

Các phương pháp nghiên cứu trong và ngoài nước chủ yếu sử dụng tính toán lý thuyết cán và tính toán giải tích, chỉ ra ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới bán kính cong sản phẩm Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu mới chỉ đề xuất công nghệ lăn ép thực hiện được thì cần các điều kiện về thiết bị như thế nào, vật liệu tạo hình phục vụ cho nghiên cứu chủ yếu là thép các bon và chưa đưa ra được mối quan hệ giữa các thông số công nghệ khi lăn ép

Trên cơ sở phân tích, đánh giá công nghệ và nhu cầu của ngành đóng tàu ở Việt Nam, việc triển khai nghiên cứu công nghệ lăn ép để tạo hình các chi tiết tấm dày trong công nghệ tàu thủy có ý nghĩa thực tiễn rất lớn 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 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

Để thực hiện được mục tiêu nghiên cứu công nghệ lăn ép về mặt lý thuyết và các kết quả nghiên cứu có thể triển khai trong thực tiễn sản xuất, luận án sẽ tập trung vào các nội dung chính sau đây

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của công nghệ lăn ép

- Mô phỏng quá trình tạo hình lăn ép, từ đó giải thích mối quan hệ giữa lực ép, mức

độ biến dạng tới phân bố ứng suất và biến dạng trên phôi tấm Qua đó giải thích tác dụng của trường biến dạng tới bán kính cong của sản phẩm tấm

- Thực nghiệm để kiểm tra kết quả mô phỏng

- Dựa trên mô phỏng và thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính tới bán kính cong sản phẩm tấm

- Xây dựng mối quan hệ hàm số từ thực nghiệm giữa thông số công nghệ với bán kính cong sản phẩm

- Áp dụng các kết quả khảo sát thông số công nghệ để tạo hình thử nghiệm chi tiết trong vỏ tàu thủy

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ LĂN ÉP

2.1 Các thông số cơ bản của quá trình lăn ép

Lăn ép là công nghệ tạo hình phôi tấm, tạo cho phôi có bán kính cong, được thực hiện bằng cách cho phôi tấm lăn ép qua khe hở giữa hai trục quay, có vai trò tạo ra mômen

uốn và bán kính cong của phôi

Lăn ép tương tự như quá trình cán không đối xứng, có nghĩa là các thông số mô men, hệ số ma sát giữa trục cán và phôi, vận tốc góc, bán kính của các trục không bằng nhau Mục đích của lăn ép là tạo bán kính cong cho phôi khi ra khỏi khe hở giữa hai trục

với mức độ biến dạng không đều phân bố trên chiều dày của tấm

Sơ đồ tạo hình bằng quá trình lăn ép được biểu diễn như hình 2.1 [92]

Hình 2.1.Sơ đồ quá trình lăn ép không đối xứng

Các thông số hình học của quá trình lăn ép không đối xứng bao gồm:

Ri - bán kính trong sản phẩm;

Mt – khoảng cách từ tâm trục trên đến tâm cong của tấm;

Md – khoảng cách từ tâm trục dưới đến tâm cong của tấm;

lt - cung tiếp xúc giữa trục trên và phôi;

ld - cung tiếp xúc giữa trục dưới và phôi;

S1 - chiều dày phôi ban đầu;

S2 - chiều dày phôi sau khi lăn;

φt - góc tiếp xúc phôi với trục trên

φd - góc tiếp xúc phôi với trục dưới

Trong sơ đồ nguyên lý lăn ép, trục trên không dẫn động có đường kính nhỏ hơn trục

dưới và thân trục có hình tang trống, trong khi thân trục dưới là hình trụ và được dẫn động

Phôi 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

Giả thiết trục là vật liệu cứng tuyệt đối và phôi là vật liệu dẻo lý tưởng, ta có: S1 = S2 + S Tuy nhiên thép tấm dày ở trạng thái nguội có giới hạn chảy dẻo rất cao nên lực ép làm cho tấm biến dạng đàn hồi cũng rất lớn, ngoài ra theo nguyên lý sơ đồ tác dụng của ngoại lực mô men uốn cũng sẽ lớn đủ để làm uốn cong phôi Để xem xét quá trình biến

dạng bài toán lăn ép được đơn giản hóa tối đa cho bài toán tiêu biểu

Xét quá trình biến dạng trong mặt phẳng đối xứng chứa trục x, coi các trục của hệ tọa

độ là trục chính thì 2 = 0 Vì vậy quá trình ép tấm trên 2 trục hình trụ là quá trình tiêu biểu

Mức độ biến dạng của tấm theo phương chiều dầy khi lăn ép được tính theo công

có thể dẫn đến tấm bị biến mỏng Quá trình lăn ép tạo nên trạng thái ứng suất phức tạp

Theo lý thuyết tính toán ten xơ, trạng thái ứng suất trong quá trình lăn ép luôn được tách ra thành 2 thành phần, thành phần của quá trình cán ép và thành phần của quá trình

uốn Để tránh phôi tấm bị biến mỏng thì lượng ép phải là rất nhỏ Trục trên ép, trục dưới lăn dẫn động tạo ra lực ma sát kéo phôi qua khe hở giữa 2 trục Phôi sẽ chỉ biến dạng theo

hai hướng: trục y biến dạng nén (biến mỏng) và trục z biến dạng uốn (tạo bán kính cong)

Khi điều khiển quá trình tạo hình, cần xác định được bán kính cong của phôi tấm theo hai phương z và x Bán kính cong của sản phẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: lực

ép, chênh lệch tốc độ giữa phôi và trục, khoảng cách giữa các đường lăn ép, hình dạng, kích thước của trục lăn và phôi, tính chất cơ học của phôi Quá trình tạo hình được thực

hiện theo các bước sau:

+ Phôi tấm phẳng được đưa vào giữa 2 trục và được ép chặt trên trục

+ Trục lăn trên tạo lực ép lên tấm với trị số lực được xác định trước (mức độ cong, bán kính cong của tấm sau mỗi lần lăn ép phụ thuộc chủ yếu vào lực ép và mức độ biến

dạng của tấm)

+ Trục dưới chuyển động quay tròn, kéo phôi tấm qua khe hở giữa 2 trục lăn làm

cho phôi bị uốn cong

+ Khi hết một lần lăn ép, có thể đặt lại giá trị lực ép và tiếp tục thực hiện lần lăn ép

tiếp theo

Sau mỗi lần lăn ép như vậy, phôi tấm sẽ bị cong dần lên Quá trình lăn ép sẽ kết thúc khi

phôi tấm đạt được kích thước thiết kế

Để tạo hình được các chi tiết có biên dạng phức tạp, có thể thực hiện lăn ép trên phôi tấm theo nhiều phương Cần chú ý rằng, tạo hình bằng phương pháp lăn ép phôi tấm

bị biến mỏng qua mỗi lần lăn ép Để tạo hình các chi tiết với biên dạng cong phức tạp một cách chính xác, hiệu quả từ chi tiết ban đầu là tấm phẳng, cần thiết phải lựa chọn biên

dạng, bán kính các con lăn phù hợp, tính toán được các thông số công nghệ cơ bản

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 Trong công nghệ uốn lốc, bán kính của các trục không ảnh hưởng nhiều đến việc tạo hình phôi tấm Các trục chỉ cần đảm bảo độ bền khi uốn và đảm bảo quá trình tạo lực ép lên phôi, kéo phôi qua cặp trục lăn Con lăn có thể có bán kính khác nhau và bán kính con lăn trên sẽ quyết định bán kính uốn nhỏ nhất phôi tấm có thể đạt được [13,14, 16, 20, 22] Trong công nghệ cán không đối xứng, nếu hai trục cán có bán kính chênh lệch lớn thì khi cán sẽ dẫn đến phôi không ổn định, biến dạng cong về phía trục nhỏ quá lớn, áp lực cán phân bố trên cung tiếp xúc giữa trục trên và trục dưới khác nhau nhiều, dẫn đến ma sát trên các trục khác nhau và làm cho trục trên hỏng nhanh Chính vì vậy, tỉ số bán kính giữa hai

trục khi biến dạng nguội nằm trong phạm vi từ 1,05 đến 1,3 [46, 47, 76] Trong cán không đối xứng, phôi thường có bề rộng nhỏ hơn chiều dài trục cán, nên trục cán thường có dạng trụ trơn, chỉ có biên dạng đặc biệt khi cán vành hay cán hình Nhưng trong lăn ép, cặp trục lăn có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước của phôi tấm, có nghĩa là trục lăn chỉ tiếp xúc cục bộ với phôi khi tạo hình Chính vì vậy, trục cán có thể không làm trơn mà có biên dạng phù hợp với mục đích biến dạng uốn cong theo cả phương ngang Dưới đây trình

bày các dạng cặp trục có thể sử dụng trong công nghệ lăn ép (hình 2.2)

Hình 2.2 Các kiểu biên dạng con lăn

Trong các dạng cặp trục lăn trên, nếu sử dụng biên dạng trụ trơn thì chỉ tạo bán kính cong cho phôi tấm theo phương dọc, nếu sử dụng cả hai trục đều có biên dạng tang trống thì vết tiếp xúc sẽ nhỏ, phôi tấm bị biến mỏng cục bộ theo phương chiều dày lớn, khó điều khiển được biên dạng cong cho tấm, nếu sử dụng biên dạng tang trống cho trục trên, biên dạng lõm cho trục dưới sẽ tạo được bán kính cong theo phương ngang tốt hơn, nhưng trên bề mặt phôi tấm sẽ có vết lồi lõm, điều này làm giảm chất lượng của tấm khi lăn nhiều đường sát nhau Biên dạng cặp trục lăn được đề xuất trong [92] có trục lăn dưới hình trụ, đường kính 350 mm, trục lăn trên có biên dạng tang trống với bán kính tang trống 425 mm

và đường kính ở đỉnh tang trống là 310 mm Việc sử dụng trục dưới dạng trụ sẽ giúp quá trình lăn ép ổn định hơn, con lăn trên có dạng trống sẽ tạo cho phôi biến dạng uốn cong theo phương ngang dễ dàng hơn Biên dạng cặp trục lăn được trình bày như hình dưới đây

(hình 2.3, hình 2.4)

Hình 2.3 Con lăn trên Hình 2.4 Con lăn dưới

2.3 Lực ép, phân bố áp lực trên bề mặt tiếp xúc khi lăn

Quá trình biến dạng đối xứng, biến dạng được xét trong mặt phẳng zoy là biến dạng phẳng, từ đó ta coi quá trình lăn ép của tấm giữa 2 trục hình trụ là quá trình tiêu biểu, đơn

giản nhất để nghiên cứu lý thuyết

Căn cứ vào sơ đồ dẫn động ta có sơ đồ tác dụng các lực trong trường hợp đơn giản nhất

như hình 2.5

Hình 2.5 Hình biểu diễn sơ đồ tác dụng lực trường hợp đơn giản nhất

Giả thiết lượng ép nhỏ, diện tích tiếp xúc không đáng kể, điểm đặt của lực tổng hợp nằm trên đường nối tâm trục như hình vẽ 2.5 Lực ma sát T xuất hiện khi có sự chênh lệch

tốc độ giữa trục và phôi, trong trường hợp có lực ép P, có thể được tính như sau:

Mô men ngoại lực được tính như sau:

M = T.S = µ.P.S (2.3)

Hình 2.6 Hình biểu diễn sơ đồ tác dụng của ứng suất nội lực

Căn cứ vào sơ đồ tác dụng của ứng suất nội lực trong quá trình uốn (hình 2.6), mô men nội lực được tính gần đúng như sau:

(2.4)

trong đó: F là tổng hợp của nội lực, S là chiều dày của phôi

Dưới tác dụng của lực ép P, dọc theo chiều dày của tấm sẽ xuất hiện phân bố nội lực q 

Nội lực ở bên trái trục y và bên phải trục y là

2

S q

F  (2.5)

Mô men nội lực sinh ra:

4

S q 4

S 2

S q 4

S 2

S q M

2





Cân bằng mô men nội lực và mô men ngoại lực khi lăn ép để tính lực ép như sau:

 (2.6)

Dưới tác dụng của ngoài lực P khi lăn ép, phôi tấm bị biến dạng dẻo và bị uốn cong Do

đó, q phải đạt được giá trị của ứng suất chảy, có nghĩa là q = f và (2.6) có dạng:



 4

S

Công thức trên cho thấy lực ép phụ thuộc vào cơ tính của vật liệu, hệ số ma sát và chiều dày của phôi tấm Khi hệ số ma sát càng lớn thì lực ép để tạo mô men càng nhỏ Thông thường trong quá trình biến dạng nguội hệ số ma sát có giá trị từ 0,1 đến 0,2

Lực ép do con lăn trên tác dụng vào phôi là thông số quan trọng, bởi lực này là nguyên nhân hình thành phân bố ứng suất trên bề mặt tiếp xúc, gây ra biến dạng của phôi

và làm cho phôi bị cong khi lăn ép Lực ép được khảo sát trong 2 giai đoạn: khi ép và khi lăn

Hình 2.7 Sơ đồ tác dụng lực khi ép ban đầu

Nếu xét áp lực phân bố khi ép ban đầu trên bề mặt phôi tiếp xúc với con lăn, có thể biểu diễn như hình dưới đây (hình 2.8)

Hình 2.8 Lực phân bố trên cung tiếp xúc giữa phôi và trục khi ép ban đầu

Áp lực phân bố được biểu diễn theo công thức [10]:

) 7 2 ( 1

Hình 2.9 Phôi biến dạng dưới tác dụng của lực ép ban đầu

b) Khi lăn:

Trục dưới quay, kéo phôi tấm chuyển động theo Trên bề mặt dưới của phôi tấm xuất hiện lực kéo phôi, lực ma sát giữa phôi và trục dưới cùng chiều với chiều quay của trục dưới qua khe hở giữa hai trục lăn Trên bề mặt tiếp xúc giữa phôi và con lăn trên cũng xuất hiện lực ma sát và kéo con lăn trên quay theo chiều chuyển động của phôi Sơ đồ lực tác dụng được biểu diễn như hình vẽ dưới đây (hình 2.10, hình 2.11)

Hình 2.10 Sơ đồ lực tác dụng khi lăn

Hình 2.11 Áp lực phân bố trên cung tiếp xúc giữa phôi và trục khi lăn

So sánh áp lực phân bố giữa hai hình 2.8 và 2.11 ở các giai đoạn ban đầu khi chưa lăn và khi lăn, có thể nhận thấy ở giai đoạn đầu tiên khi chưa lăn ép, dưới tác dụng của lực

P, phôi tấm bị nén và trên bề mặt phôi tấm xuất hiện áp lực phân bố đều về hai phía của trục đối xứng y Ở giai đoạn lăn ép, phôi tấm bị nén và đi ra khỏi khe hở giữa hai trục lăn,

đo đó diện tích tiếp xúc giữa phôi và con lăn dưới trong quá trình lăn ép giảm gần 50% so với giai đoạn đầu khi con lăn chưa quay Bởi lúc này phôi tấm chủ yếu chỉ tiếp xúc bên trái trục y Do vậy khi lăn lực sẽ giảm đến 50% so với lực khi ép nếu không tính đến biến dạng đàn hồi của phôi và trục lăn

Khi lăn, áp lực phân bố trên hai bề mặt không đều bỏi có sự xuất hiện của ma sát khi lăn và diện tích tiếp xúc giữa phôi với hai con lăn thay đổi

Vùng biến dạng được chia thành 2 vùng trễ và vượt trước thì phân bố áp lực trong vùng vượt trước có thể biểu diễn như sau [2]:

S 1

K p

2 1

Áp lực trong vùng trễ được biểu diễn theo công thức:

S 1

K p

K = 1,15.σf là trở lực biến dạng dọc theo vùng biến dạng

Hình 2.12 Sơ đồ xác định mô men uốn theo phương z

Lực phân bố có thể qui về lực tập trung đặt trên bề mặt tiếp xúc Ở bề mặt trên phôi

cos 2

sin 2

2

t t

i d

d a

(2.12) Trong quá trình lăn ép, con lăn dưới chủ động, con lăn trên bị động quay theo, nên khi khảo sát lực ma sát trên các bề mặt tiếp xúc, nhận thấy rằng chiều của lực ma sát giữa phôi và con lăn dưới theo chiều quay của trục dưới [2, 19], nhưng lực ma sát giữa con lăn trên với phôi lại ngược chiều với chiều quay của con lăn trên

Hình 2.13 Sơ đồ xác định mô men uốn theo phương x do lực ma sát gây nên

Do bán kính hai con lăn khác nhau, diện tích tiếp xúc của phôi ở mặt trên và mặt dưới với hai con lăn cũng khác nhau, dẫn đến lực ma sát trên hai bề mặt không đồng đều

Lực ma sát trên hai bề mặt tiếp xúc của phôi với các con lăn có thể tính như sau:

Trong đó:  - hệ số ma sát Tổng đại số của các lực ma sát giữa phôi và con lăn dưới, phôi và con lăn trên sẽ tạo ra một mô men quay của phôi và gây nên hiện tượng phôi bị uốn cong theo phương x

Mô men do lực ma sát gây nên có thể được xác định theo công thức:

2

t i d

a

Hình 2.14 Phôi biến dạng khi lăn

Khi lăn, tấm bị ép khi qua khe hở giữa hai trục lăn, bị dãn dài theo phương dọc Sự dãn dài không đồng đều theo phương dọc giữa mặt dưới và mặt trên của tấm là nguyên nhân gây nên tấm bị uốn cong

Theo phương ngang, hình dạng của vùng biến dạng hầu như không thay đổi Theo chiều dày phôi, xuất hiện vùng bị nén ở mặt trên và vùng kéo ở mặt dưới của phôi tấm

Dựa trên sơ đồ lăn ép, các phân tích lực trên đây, có thể xác định lực ép bằng giải tích Trong quá trình lăn ép, phôi bị biến dạng dẻo và uốn cong do lực ép tác động của con lăn lên phôi tấm Mặt khác, phôi còn bị kéo vào chuyển động cùng con lăn giống như quá trình cán theo điều kiện ăn phôi Vùng kim loại bị biến dạng uốn cong không cố định tại một vị trí mà chuyển động thay đổi liên tục theo phương lăn ép [92]

Lực ép lên phôi được xác định theo công thức:

P = ptb.Ftx (2.15) Trong đó,: ptb – áp lực riêng trung bình khi lăn ép được tính toán theo tài liệu [2, 19]

Ftx – diện tích tiếp xúc tổng cộng giữa phôi và các trục lăn

Ftx = (lt + ld).b (2.16) Với b là chiều rộng vết tiếp xúc Khi trục con lăn ép lên phôi tấm, có thể xác định được lượng ép S tổng cộng, lượng ép trên 2 trục St và Sd

Để phôi tiếp tục được lăn trên trục và bị uốn cong, lượng ép phải thỏa mãn điều kiện:

Trong đó: St: Lượng ép ở trục con lăn trên

Sd: Lượng ép ở trục con lăn dưới

Như vậy:

R

l ln S

đàn hồi của con lăn và phôi tấm, coi vận tốc của tấm ở mặt dưới bằng vận tốc dài của con lăn dưới, vận tốc của tấm ở mặt trên bằng vận tốc dài của con lăn trên xét tại mặt cắt đi qua tâm hai con lăn

Lấy ví dụ áp dụng cho vật liệu thép tấm C45, xác định được bán kính cong của tấm theo lực ép và chiều dài vết tiếp xúc dựa vào các công thức trên Biểu đồ quan hệ giữa lực

ép, lượng ép và bán kính sản phẩm được biểu diễn như hình dưới đây (hình 2.15, hình 2.16) [92]

Hình 2.15 Quan hệ giữa lực ép và bán kính

cong của sản phẩm

Hình 2.16 Quan hệ giữa lực ép và lượng ép

khi lăn ép phôi tấm có chiều dày S = 10mm

Dựa trên tính toán giải tích có thể nhận xét: Nếu gia tăng mức độ ép thì lực ép, chiều dài cung tiếp xúc sẽ tăng lên, bán kính cong của sản phẩm sẽ nhanh chóng đạt được Tuy nhiên, nếu tăng lượng ép nhiều sẽ ảnh hưởng đến chiều dày của sản phẩm, bởi khi đó, sản phẩm sẽ bị mỏng đi Ngược lại, nếu lựa chọn lượng ép nhỏ, lực ép cần thiết giảm đi, nhưng bán kính cong của sản phẩm rất lớn Như vậy, cần phải lăn ép nhiều lần mới đạt được biên dạng cong của sản phẩm như thiết kế Bằng tính toán giải tích dựa vào quan hệ hình học của các con lăn và phôi tấm có thể nhanh chóng xác định được bán kính cong của sản phẩm sau mỗi lần dập lăn ép Tuy nhiên, với phương pháp này khó có thể khảo sát được ảnh hưởng của biên dạng con lăn, ma sát tiếp xúc, vận tốc đến biên dạng của sản phẩm, cũng như khó xác định được phân bố ứng suất và biến dạng trong phôi tấm sau mỗi lần dập lăn ép

2.4 Hệ số ma sát khi lăn ép

Ma sát giữa phôi và con lăn là một trong những yếu tố có ảnh hưởng đến quá trình biến dạng Việc xác định hệ số ma sát được trình bày trong nhiều tài liệu kỹ thuật Đối với lăn ép, ma sát được tính toán trong điều kiện khô, không bôi trơn, trạng thái bề mặt sạch [2, 17, 19, 92], tức là trên bề mặt con lăn cũng như phôi bóng, không có những thành phần như dầu mỡ, ô xít, hơi ẩm

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hệ số ma sát khi lăn ở trạng thái nguội như thành phần hoá học của phôi, mức độ hoá bền của vật liệu, tốc độ lăn, trạng thái bề mặt trục lăn

và bề mặt phôi, áp lực trên bề mặt tiếp xúc, lượng ép, chiều dày phôi Ma sát trên bề mặt tiếp xúc có biến dạng dẻo được coi là ma sát trượt và tuân theo định luật Amonton - Coulomb Có thể sử dụng công thức thực nghiệm để xác định μ trong trường hợp các trục được chế tạo bằng vật liệu thép mài bóng có kể đến vận tốc lăn như sau [2]:

2 0

3 ) 1 ( 2

1 , 0 07

, 0

V V

V

K c

Trong đó: Kc – hệ số tính trạng thái bề mặt tiếp xúc

Đối với trục khô, sạch thì Kc = 1,55

V0 – vận tốc lăn (m/s)

Công nghệ lăn ép, mức độ biến dạng nhỏ, tốc độ cán từ 0.09 đến 0,54 m/s thì μ từ 0.096 đến 0.106

Ngoài lượng ép, lực ép, đường kính trục lăn thì ma sát cũng có ảnh hưởng đến phân

bố áp lực của vật liệu tác dụng lên trục Hệ số ma sát càng lớn thì áp lực càng tăng mạnh

về phía tiết diện trung hòa

Hình 2.17 Biểu đồ phân bố áp lực trong vùng tiếp xúc giữa phôi và trục lăn

Do lăn ép có mức độ biến dạng nhỏ nên trở lực biến dạng thấp, hệ số ma sát có thể lấy theo thực nghiệm μ = 0,1 và áp lực lên chiều dài cung tiếp xúc được coi là đồng đều

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Chương 2 đã nghiên cứu cơ sở lý thuyết về công nghệ lăn ép, từ đó đưa ra những yếu tố liên quan đến biến dạng, bán kính cong của tấm sau lăn ép Lăn ép được xem xét trong hai giai đoạn khi ép và khi lăn Bài toán lăn ép được phân tích theo phương dọc tương tự như cán không đối xứng, theo phương ngang tương tự như uốn Trên cơ sở đó đã xem xét phân bố áp lực trên bề mặt tiếp xúc, lực ép và biến dạng của phôi

Theo phương ngang, phôi bị uốn do lực tác dụng từ con lăn trên lên phôi Bán kính uốn của phôi phụ thuộc vào lực ép và biên dạng tang trống của con lăn trên

Theo phương dọc, phôi tấm bị cong khi biến dạng qua khe hở giữa hai trục lăn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất là lực ép Dựa trên phân bố áp lực trên bề mặt tiếp xúc, có thể nhận thấy phôi bị cong theo phương dọc do có sự xuất hiện của mô men do lực ma sát, lực pháp tuyến gây nên Độ lớn của các mô men này phụ thuộc vào hệ

số ma sát trên bề mặt tiếp xúc, tỉ số bán kính cặp trục lăn, lực ép, mức độ biến dạng

Theo tính toán giải tích, có thể xác định được mối quan hệ giữa bán kính cong theo phương dọc với lực ép Tuy nhiên, 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 Hơn nữa, sản phẩm trong thực tế thường có biên dạng phức tạp, để nghiên cứu được ảnh hưởng của các thông số công nghệ khi tạo hình lăn ép và áp dụng được kết quả nghiên cứu vào sản xuất chế tạo ta khảo sát bài toán ở mô hình 3D Trong 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

Nhiều năm trước đây, việc nghiên cứu tính toán, phân tích quá trình tạo hình dựa trên mô phỏng thường sử dụng phương pháp mô phỏng vật lý Các nhà kỹ thuật phải làm rất nhiều các thực nghiệm trên các vật thể mẫu, vật liệu tương đương, từ đó biểu diễn quá trình biến dạng ở các thời điểm khác nhau Mô phỏng vật lý như vậy khá tốn kém bởi cần phải tiến hành thực nghiệm ở nhiều trường hợp ứng với từng thông số công nghệ như nhiệt

độ, lực, mức độ biến dạng, tốc độ… biến thiên trong quá trình tạo hình Phương pháp này chỉ giúp các nhà kỹ thuật đánh giá định tính vê dòng chảy, giải thích về quá trình tạo hình,

mà không đánh giá định lượng hay tính toán chính xác trạng thái ứng suất và biến dạng tại từng thời điểm tạo hình

Bước sang thế kỷ 21, công nghệ thông tin phát triển mạnh mẽ với sự xuất hiện của nhiều phương pháp tính toán hiện đại (phần tử hữu hạn (PTHH), phần tử biên, sai phân hữu hạn…), các phần mềm cùng máy tính cho phép phân tích tính toán những quá trình tạo hình phức tạp hơn nhiều, tính toán nhanh và cho kết quả chính xác Phương pháp mô phỏng số quá trình tạo hình được thực hiện ngay trên máy tính, khảo sát bài toán với các điều kiện biên phức tạp, và cho phép nhà kỹ thuật đánh giá chất lượng sản phẩm, phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới quá trình tạo hình và chất lượng sản phẩm, nhanh chóng tối ưu công nghệ, xác định được bộ thông số công nghệ phù hợp nhất để sản phẩm có chất lượng tốt nhất Mô phỏng số giúp cho quá trình thiết kế công nghệ chính xác, giảm chi phí cho sản xuất thử nghiệm, nâng cao chất lượng sản phẩm nhưng đồng thời mở

ra những cơ hội cho những ý tưởng công nghệ và sản phẩm mới trong áp dụng vật liệu mới

Nghiên cứu công nghệ lăn ép dựa trên mô phỏng số phải đạt được mục tiêu 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; nhận xét khuyến cáo áp dụng, lựa chọn thông số công nghệ trong thực tiễn để hiệu quả tạo hình cao nhất, đảm bảo chất lượng sản phẩm đúng theo yêu cầu

Với mục tiêu xây dựng mô hình mô phỏng, ứng với các điều kiện biên được lựa chọn tương tự trong thực tế, từ kết quả mô phỏng ta sẽ xác định được phân bố ứng suất, biến dạng, tốc độ biến dạng… Có nhiều phần mềm mô phỏng số chuyên dụng như LS-Dyna, Deform, Abaqus …, sau khi nghiên cứu khả năng đáp ứng của các phần mềm đối với bài toán lăn ép, ta sử dụng phần mềm Abaqus trong khuôn khổ nghiên cứu này

Phần mềm Abaqus có mô đun đồ hoạ cho phép thiết lập mô hình hình học bài toán lăn ép một cách đơn giản Phần mềm Abaqus cũng chấp nhận mô hình hình học của các phần mềm đồ hoạ khác thường sử dụng như AutoCad, Catia… Phần mềm Abaqus cho phép sử dụng nhiều mô hình vật liệu khác nhau, phù hợp với bài toán biến dạng dẻo Thiết lập các điều kiện biên đáp ứng được các điều kiện trong thực tế đối với bài toán lăn ép

Việc đưa vào mô phỏng các điều kiện đúng với thực tế sẽ cho kết quả mô phỏng chính xác Tuy nhiên, việc xác định các điều kiện tạo hình một cách chính xác đôi khi khó khăn, phức tạp, chính vì vậy, trong phần nghiên cứu mô phỏng này sẽ chấp nhận một số giả thuyết sau:

- Con lăn là dụng cụ tạo hình, nên không khảo sát biến dạng của con lăn

- Hệ số ma sát trong suốt quá trình lăn ép là hằng số

Các giả thuyết trên chấp nhận được trong thực tế và sẽ làm cho quá trình khảo sát biến dạng của tấm được thuận lợi hơn

3.2 Trình tự xây dựng bài toán mô phỏng số

Trình tự xây dựng bài toán mô phỏng được trình bày trên hình 3.1, bao gồm 3 phần

chính: tiền xử lý, giải bài toán và phân tích, đánh giá kết quả [6, 26]

Hình 3.1 Các bước thiết lập bài toán mô phỏng số [6]

Trong phần Tiền xử lý (Pre-Processing), cần phải thực hiện 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

+ Thiết lập các điều kiện biên bao gồm điều kiện tiếp xúc, ràng buộc chuyển vị, lực, chuyển vị, vận tốc…

Phần Giải bài toán (Solution) sẽ áp dụng phương pháp PTHH để xác định trường phân bố ứng suất, biến dạng, chuyển vị, nhiệt độ … tại từng thời điểm trong quá trình biến dạng

Sau khi giải bài toán, sử dụng phần Hậu xử lý (Post-Processing), ta có thể sử dụng xem xét phân tích kết quả tính toán dưới dạng hình ảnh, đồ thị, để có những nhận xét về quá trình biến dạng, chất lượng sản phẩm

Trong quá trình mô phỏng ta có thể cập nhật lại mô hình hình học, vật liệu, điều kiện biên để có được những thông số đầu vào sao cho quá trình tạo hình được xem là tối

Hình 3.2 Mô hình hình học cặp trục lăn và phôi

a) Mô hình con lăn trên; b) mô hình con lăn dưới; c) Mô hình phôi

Con lăn trên có dạng tang trống, kích thước đường kính lớn nhất  310 mm, bán kính tang trống R 425 mm Con lăn dưới có dạng trụ, đường kính  350 mm Do con lăn coi như chỉ bị biến dạng đàn hồi nên ta xây dựng con lăn có dạng rỗng, đường kính lỗ rỗng

là  100 mm Việc con lăn có lỗ rỗng hoàn toàn không ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng, tuy nhiên sẽ tiết kiệm được thời gian tính toán

Phôi tấm dạng dải có kích thức 600 mm x 80 mm x 20 mm Chiều dài và chiều rộng phôi tấm được lựa chọn như trên đảm bảo cho quá trình khảo sát biến dạng theo phương dọc và ngang của phôi

Trong thực tế tạo hình, các chi tiết vỏ tàu thuỷ thường có kích thước lớn hơn kích thước phôi tấm được lựa chọn để mô phỏng Tuy nhiên, việc lựa chọn này không làm ảnh hưởng nhiều đến kết quả sau này sẽ ứng dụng trong thực tế bởi:

- Lăn ép tạo ra biến dạng cục bộ liên tục trên phôi tấm dọc theo đường lăn Biến dạng chủ yếu xảy ra trong vùng tiếp xúc giữa 2 con lăn với phôi tấm, nên ta có thể lựa chọn kích thước theo chiều rộng phôi tấm lớn hơn kích thước của vết tiếp xúc giữa con lăn với phôi tấm Tại hai mặt biên theo chiều rộng tấm, coi như biến dạng theo chiều rộng bằng không

- Với chiều dài tấm 600 mm đủ để khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến biến dạng cong của tấm Chiều dài lớn quá sẽ lãng phí thời gian tính toán

- Chiều dày của phôi tấm sẽ thay đổi tuỳ thuộc vào mục đích khảo sát tạo hình phôi tấm có chiều dày từ 10 mm đến 30 mm

3.3.2 Chia lưới phần tử

Hình 3.3 Lưới phần tử của cặp con lăn và phôi tấm

Chia lưới cho phôi, con lăn đảm bảo độ chính xác của kết quả, tuy nhiên cũng cần lưu ý đến thời gian tính toán mô phỏng Nếu chia nhiều phần tử, kết quả mô phỏng sẽ chính xác nhưng thời gian tính toán sẽ lâu, khi phần tử quá nhỏ thì có thể sẽ khó hội tụ hoặc không hội tụ do giá trị chênh lệch giữa các nút kề nhau vượt quá sai số tính toán Nếu chia ít phần tử, việc tính toán sẽ nhanh, nhưng độ chính xác bị giảm đi Số lượng phần tử phù hợp sẽ được xác định bằng cách tính toán mô phỏng với số lượng phần tử ban đầu ít, sau đó tăng dần lên cho đến khi kết quả tính toán không có sự chênh lệch nữa Do con lăn chỉ bị biến dạng đàn hồi nên ta chia lưới con lăn dưới 18.000 phần tử, con lăn trên cần

chính xác về biên dạng nên ta chia 22.000 phần tử Mặc dù phôi tấm có dạng dải, tiết diện ngang hình chữ nhật đơn giản, nhưng do phôi biến dạng dẻo, nên chia với 26.000 phần tử Kiểu phần tử được lựa chọn là C3D8R Đây là phần tử khối, 8 nút, cho phép tính toán ứng suất, biến dạng, chuyển vị… của từng nút nên đáp ứng được với mục đích đặt ra cho bài toán mô phỏng

3.3.3 Xây dựng mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu

Việc xác định chính xác mô hình vật liệu để đưa vào mô phỏng số rất quan trọng và ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả mô phỏng số

Vật liệu trục lăn được lựa chọn là thép C45 có các thông số tra từ sổ tay vật liệu học

và đối chiếu với các thông số được lấy ra từ thư viện vật liệu đã có sẵn trong phần mềm Vật liệu thép tấm được lựa chọn theo tiêu chuẩn JIS G 3101 có mác SS400 Đây là vật liệu thép được dùng rất phổ biến trong chế tạo vỏ tàu thủy và có thành phần hóa học như trong bảng 3.1

Kết quả thử kéo 3 mẫu theo 3 phương khác nhau đối với cùng một tấm vật liệu được thể hiện trên hình 3.5

Hình 3.5 Đường cong lực - chuyển vị khi thử kéo của vật liệu SS400

Dựa trên kết quả thử kéo có thể nhận thấy rằng mối quan hệ giữa lực kéo và chuyển

vị hay ứng suất chảy và mức độ biến dạng theo 3 hướng thí nghiệm trùng nhau trong miền biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo do đó ta có thể coi vật liệu là đẳng hướng

Từ đường cong quan hệ giữa lực - chuyển vị trong thử kéo, xây dựng đường cong quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu và đưa đường cong này vào phần mềm mô phỏng số (hình 3.6)

Hình 3.6 Đường cong quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu SS400

3.3.4 Đặt điều kiện biên

Theo sơ đồ nguyên lý của công nghệ lăn ép, phôi tấm ban đầu được kẹp giữa hai con lăn Con lăn dưới có trục quay cố định, con lăn trên di động theo phương thẳng đứng

và ép lên phôi một lực ban đầu là P, hoặc con lăn trên ép vào phôi với một lượng ép ban đầu là S Con lăn dưới quay mới một mô men M, vận tốc V2, do có ma sát tiếp xúc giữa