Nghiên cứu, tích hợp hệ thống cơ khí, thủy lực và điều khiển CNC trong máy uốn ống

Những đặc tr-ng về năng l-ợng khi uốn mômen uốn, lực biến dạng cũng nh- biến dạng đàn hồi của ống uốn xuất hiện sau khi bỏ tải trọng đ-ợc xác định một cách gần đúng với một giai đoạn nhấ

đầu nhập các máy uốn ống CNC của Đức, nh-ng với giá thành nhập khẩu rất cao (khoảng 15 – 20 tỷ một thiết bị) Các máy uốn ống điều khiển PLC có hiệu suất thấp, tính linh hoạt và độ tin cậy không cao, chỉ tiêu về độ chính xác của ống uốn khó

đảm bảo, Song cho tới thời điểm này, chúng ta ch-a có cơ sở nào chế tạo máy uốn ống CNC để thay thế cho các máy kiểu cũ nhập ngoại

Đề tài“Nghiên cứu, tích hợp hệ thống cơ khí, thủy lực, và điều khiển

CNC trong máy uốn ống”

Mặc dù thời gian, kiến thức còn hạn chế, nội dung thực hiện Đề tài là rất rộng,

đòi hỏi tích hợp nhiều lĩnh vực khác nhau, song với sự giúp đỡ của các thầy cô, cơ quan công tác, các đơn vị sản xuất và sự nỗ lực của bản thân nhóm thực hiện Đề tài với quyết tâm rất cao đã thực hiện thành công Đề tài nêu trên

Với khả năng và các điều kiện công nghệ hiện có, kết quả đề tài còn tồn tại một số thiếu sót và hạn chế Chúng tôi rất mong các ý kiến đóng góp của các nhà khoa học, các thầy cô giáo, các nhà sản xuất trong lĩnh vực này để sản phẩm của Đề tài sớm đ-ợc đ-a vào ứng dụng rộng rãi phục vụ sản xuất

Mục Lục

Lời nói đầu

Nội dung báo cáo chính

Ch-ơng 1: Tổng quan về máy uốn ống

1.1.Tình hình nghiên cứu về máy uốn ống trên thế giới và ở trong n-ớc 5

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 5

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong n-ớc 7

1.2 Các ph-ơng pháp và một số thiết bị uốn ống 8

1.2.1 Các ph-ơng pháp uốn ống cơ bản 8

1.2.2 Một số loại thiết bị uốn ống 9

1.3 Lựa chọn kiểu máy uốn ống Nguyên lý hoạt động, đặc điểm kết cấu của máy uốn ống kiểu trục tâm 10

1.4 Mục đích, ý nghĩa của luận văn 10

1.5 Các sản phẩm ống uốn và ứng dụng 11

Ch-ơng 2: Cơ sở KHOA HỌC công nghệ quá trình uốn ống 2.1 Sự phân bố ứng suất và biến dạng theo chiều dày của ống uốn 13

2.2 Kích th-ớc của ống uốn khi uốn 16

2.3 Lực uốn và mômen uốn 19

2.4 Biến dạng đàn hồi khi uốn 21

2.5 Các ph-ơng pháp giảm biến dạng đàn hồi khi uốn 27

2.6 Xác định bán kính uốn nhỏ nhất cho phép 27

2.7 Các dạng công nghệ uốn ống hiện nay 32

2.7.1 Uốn tự do 32

2.7.2 Uốn có kéo dọc trục 32

2.7.3 Uốn có nén dọc trục 33

2.7.4 Uốn kiểu trục tâm 34

2.7.5 Uốn có nung nóng cục bộ 37

2.8 Bảng tiêu chuẩn các loại ống dùng trong ngành công nghiệp………39

Ch-ơng 3: kết cấu cơ khí, mô hình hoá và Mô phỏng 3D máy uốn ống 3.1 Xác định các thông số cơ bản của máy uốn ống 41

3.2 Sơ đồ động của máy uốn ống 41

3.2.1 Sơ đồ động 41

3.2.2 Giải thích nguyên lý hoạt độn 42

3.3 Kết cấu cụm truyền động chính 43

3.3.1 Kết cấu cơ khí 43

3.3.2 Giải thích nguyên lý hoạt động 44

3.4 Kết cấu cụm xe cấp ống 47

3.4.1 Kết cấu cơ khí 47

3.4.2 Giải thích nguyên lý hoạt động 47

3.5 Kết cấu cụm ụ sau 48

3.5.1 Kết cấu cơ khí 48

3.5.2 Giải thích nguyên lý hoạt động 48

3.6 Thiết kế kết cấu máy uốn ống 49

3.7 Mục đích của mô phỏng 3D và khảo nghiệm mô hình 51

3.7.1 Mục đích của mô phỏng 3D máy uốn ống 51

3.7.2 Mục đích của mô phỏng mô hình 51

3.8 Mô phỏng 3D máy uốn ống 51

3.8.1 Lựa chọn công cụ mô phỏng 51

3.8.2 Nguồn dữ liệu và quy trình mô phỏng 52

Ch-ơng 4: hệ thống thuỷ lực và điện điều khiển máy uốn ống 4.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thuỷ lực 57

4.1.1 Sơ đồ nguyên lý 57

4.1.2 Giải thích nguyên lý hoạt động 58

4.2 Các thông số cơ bản của hệ thống thuỷ lực 58

4.3 Một số thiết bị điều khiển thuỷ lực điển hình 59

4.4 Sơ đồ điều khiển mạch trung tâm CNC 61

4.5 Giải thích sơ đồ điều khiển mạch trung tâm CNC 61

4.6 Một số yêu cầu đối với mạch điều khiển trung tâm CNC 63

4.7 Một số hệ thống điện điều khiển điển hình 65

4.7.1 Khối điện động lực 65

4.7.2 Khối điện điều khiển 68

4.7.3 Khối các thiết bị điện bảo vệ 70

4.7.4 Khối đo l-ờng và tín hiệu 71

Ch-ơng 5: Chạy thử, khảo nghiệm kết quả 5.1 Chạy thử thiết bị 72

5.1.1 Quy trình chạy thử từng phần 72

5.1.2 Quy trình chạy thử toàn bộ 73

5.2 Kết quả khảo nghiệm 73

5.2.1 Về khối l-ợng công việc 73

5.2.2 Về chất l-ợng công việc 74

Kết luận và kiến nghị 1 Các kết quả đạt đ-ợc của Đề tài 75

2 Một số kiến nghị 75

3 Kết luận 76

tài liệu tham khảo

Lời cảm ơn

Ch-ơng 1

Tổng quan về máy uốn ống

1.1.Tình hình nghiên cứu về máy uốn ống trên thế giới và ở trong n-ớc

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Vào cuối thế kỷ 20, các kết quả nghiên cứu về máy uốn ống đã đ-ợc ứng dụng nhiều vào sản xuất với nhiều loại máy uốn ống, uốn đ-ợc nhiều kích cỡ ống khác nhau Có một số hãng trên thế giới chuyên chế tạo các chủng loại máy uốn ống nhử :

- Hãng FABRICOM-piping của Bỉ (chuyên chế tạo các thiết bị uốn ống cỡ lớn)

- Tập đoàn SHAW GROUP INC của Mỹ

- Hãng BAILEIGH của Đức

- Công ty SHANGHAI GUOQING MACHINERY Co., Ltd của Trung Quốc Các loại máy uốn ống của các hãng trên đ-ợc thiết kế, chế tạo hàng loạt thành các sản phẩm công nghiệp và đ-ợc bán rộng rãi trên toàn thế giới Một số n-ớc có các hãng, nhà máy lớn chuyên sản xuất máy uốn ống là Đức, Nga, Trung Quốc, Đài Loan Ban đầu máy chỉ điều khiển bằng tay, sau đó đ-ợc tích hợp thêm các bộ điều khiển PLC để điều khiển góc uốn, các thông số uốn một cách bán tự động Cho đến nay hệ máy này đã đ-ợc nhiều hãng tích hợp bộ điều khiển CNC có thể lập trình trên máy tính để cho máy tự động uốn đ-ợc các biên dạng ống phức tạp Ngoài ra,

hệ điều khiển này còn cho phép tự động điều chỉnh chế độ uốn cũng nh- có thể cho phép ng-ời dùng xây dựng th- viện các ch-ơng trình chuẩn để tự động uốn các ống

điển hình cho từng ngành công nghiệp Hiện nay trên thế giới với các ống có đ-ờng kính lớn dùng trong công nghiệp đóng tàu và công nghiệp dầu khí, hoá chất v.v… thì ng-ời ta th-ờng sử dụng máy uốn ống kiểu trục tâm điều khiển CNC Đây là loại máy uốn ống hiện đại chuyên dùng ủeồ uốn các loại ống có đ-ờng kính ngoài lớn

và dày

Thiết bị uốn ống rất đa dạng về chủng loại và kích cỡ Việc lựa chọn thiết

bị phụ thuộc chủ yếu vào các yêu cầu công nghệ, độ chính xác ống uốn Tuỳ theo

công nghệ uốn, kết cấu máy, kiểu dẫn động và mức độ tự động hoá, các máy uốn ống đ-ợc chia ra thành các loại chính nh- sau:

 Theo kết cấu máy:

+ Máy uốn theo kiểu cuốn kéo (Rotary Draw Bender)

+ Máy uốn theo kiểu trục lăn ép (Roll Bender)

+ Máy uốn theo kiểu trục tâm (Mandrel Bender)

 Theo ph-ơng thức điều khiển:

+ Máy uốn ống điều khiển bằng tay

+ Máy uốn ống điều khiển PLC (điều khiển lôgíc khả trình)

+ Máy uốn ống điều khiển CNC (điều khiển theo ch-ơng trình máy tính)

Ưu điểm và nh-ợc điểm của các loại máy uốn ống:

 Máy uốn theo kiểu cuốn kéo, máy uốn theo kiểu trục lăn đều có những nh-ợc điểm lớn:

- Máy chỉ uốn đ-ợc các ống có đ-ờng kính nhỏ

- Chủ yếu đ-ợc điều khiển bằng tay lên chỉ uốn đ-ợc các đ-ờng uốn đơn giản, năng suất thấp

- Khó khắc phục đ-ợc các vết nhăn do không có trục tâm định h-ớng

 Máy uốn ống kiểu trục tâm thuỷ lực điều khiển CNC khắc phục đ-ợc phần lớn các nh-ợc điểm của các loại máy uốn trên và có một số -u điểm nổi trội sau:

+ Máy có khả năng uốn đ-ợc các ống có đ-ờng kính ngoài và chiều dầy lớn rất phù hợp với ngành công nghiệp đóng tàu đặc biệt là với các tàu dầu cỡ lớn Với máy uốn ống này có thể uốn đ-ợc các ống có bán kính ngoài tới 300mm và chiều dày lên tới 10-12mm

+ Máy dùng hệ dẫn động thuỷ lực nên quá trình uốn êm và có thể đạt đ-ợc lực uốn rất lớn (có thể đạt tới 30MPa) Dễ điều khiển tự động, kết cấu t-ơng đối gọn + Máy dùng bộ điều khiển CNC (Computer Numerical Control) nên quá trình

uốn đ-ợc tự động hoàn toàn và có thể uốn đ-ợc những biên dạng phức tạp, tăng năng suất uốn, độ chính xác khi uốn tăng lên gấp nhiều lần so với các máy uốn ống không dùng CNC Nhờ có sự trợ giúp của máy tính mà các giá trị bù góc uốn do sự

đàn hồi trở lại sẽ đ-ợc máy tính tính toán và bù tự động một cách chính xác theo từng vật liệu, kích th-ớc ống uốn, điều kiện công nghệ uốn

Nh-ợc điểm của máy uốn ống kiểu trục tâm là kích th-ớc máy t-ơng đối lớn

do phải gá trục tâm, sử dụng nhiều chuyển động phụ nên hệ thống thuỷ lực khá phức tạp Với những -u điểm trên, đặc biệt là -u điểm có khả năng uốn đ-ợc các ống có kích cỡ khá lớn và đ-ờng ống phức tạp, máy uốn ống điều khiến CNC rất phù hợp với quy mô công nghiệp Hiện nay thế giới có xu h-ớng sử dụng loại máy uốn ống kiểu trục tâm thay thế dần cho các loại máy uốn ống khác và đã đ-ợc ứng dụng cho một số ngành công nghiệp nh-: Công nghiệp đóng tàu, công nghiệp dầu khí, công nghiệp hoá chất, công nghiệp lạnh và điều hoà không khí

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong n-ớc

Hiện nay, ở trong n-ớc ch-a có công trình nào nghiên cứu về công nghệ uốn ống và máy uốn ống chuyên dụng một cách khoa học, có cơ sở lý thuyết t-ơng đối

đầy đủ, đặc biệt là công nghệ uốn và máy chuyên dụng uốn ống có đ-ờng kính và chiều dày thành ống lớn

Từ khoảng năm 2002 trở về tr-ớc, tại các nhà máy cơ khí của ta việc uốn ống th-ờng đ-ợc thực hiện bằng ph-ơng pháp thủ công với các công cụ gá lắp thô sơ; một số nhà máy đ-ợc trang bị các máy uốn ống cong một chiều nhập từ Liên Xô (cũ), Trung Quốc thuộc thế hệ máy của thập niên 80, uốn đ-ợc các ống có đ-ờng kính nhỏ (≤100mm) Gần đây do yêu cầu phát triển của ngành công nghiệp Việt Nam, một số nhà máy lớn có điều kiện nhập các máy uốn ống lớn hơn Tuy nhiên, các máy nhập này giá đắt, lại phải trả bằng ngọai tệ mạnh, nh-ng vẫn ch-a đáp ứng hết các yêu cầu công nghệ

Xuất phát từ việc phân tích các -u nh-ợc điểm của các lọai máy uốn ống và thực tế ứng dụng các lọai ống uốn trong ngành công nghiệp cũng nh- những hạn chế của hàng lọat máy uốn ống PLC nhập ngọai tại các nhà máy hiện nay, chúng tôi

lựa chọn nghiên cứu, tích hợp hệ thống cơ khí, thủy lực và điều khiển CNC có khả năng uốn đ-ợc loại ống có đ-ờng kính và chiều dày khác nhau, chế tạo hàng loạt máy uốn ống kiểu này trang bị cho các ngành công nghiệp khác nhau nh- dầu khí, hoá chất, cấp thoát n-ớc Hiện nay, ngành chế tạo máy của chúng ta đã có những tiến bộ về thiết kế, chế tạo nên mục tiêu đã nêu là khả thi và nên tiến hành sớm để

đáp ứng các nhu cầu thiết yếu của công nghiệp, hiện đại hoá công nghệ, nâng cao tỷ

lệ nội địa hoá, nâng cao chất l-ợng sản phẩm, giảm nhập khẩu các thiết bị mà trong n-ớc có khả năng chế tạo

1.2 Các ph-ơng pháp và một số thiết bị uốn ống

1.2.1 Các ph-ơng pháp uốn ống cơ bản

+ Hiện nay công nghệ uốn ống chủ yếu đ-ợc tiến hành theo các ph-ơng pháp sau:

a) Ph-ơng pháp cuốn kéo (Rotary Draw): Đây là một ph-ơng pháp uốn ống

đơn giản sử dụng kết hợp chuyển động quay của khuôn uốn cùng với các chuyển động kẹp của các má kẹp ống trong quá trình uốn ống Ph-ơng pháp này chỉ sử dụng uốn các ống có đ-ờng kính nhỏ, chiều dày ống lớn

và với những biên dạng uốn đơn giản

b) Ph-ơng pháp lăn ép (Roll): Đây là ph-ơng pháp uốn ống sử dụng các con lăn uốn để tạo hình cho ống uốn Ph-ơng pháp này chủ yếu sử dụng cho các nguyên công uốn thủ công với các loại ống nhỏ và sản xuất với số l-ợng ít

c) Ph-ơng pháp uốn kiểu trục tâm (Mandrel): Đây là ph-ơng pháp đ-ợc sử dụng rất phổ biến hiện nay bởi tính -u việt về công nghệ của ph-ơng pháp Ph-ơng pháp này có một số -u điểm chính sau:

+ Máy có khả năng uốn đ-ợc các ống có đ-ờng kính ngoài và chiều dầy lớn, rất phù hợp với ngành công nghiệp

+ Máy dùng hệ dẫn động thuỷ lực nên quá trình uốn êm và có thể đạt đ-ợc lực uốn rất lớn, dễ điều khiển tự động, kết cấu t-ơng đối gọn

Nh-ợc điểm của máy uốn ống kiểu trục tâm là kích th-ớc máy t-ơng

đối lớn do phải gá trục tâm, sử dụng nhiều chuyển động phụ nên hệ thống thuỷ lực khá phức tạp

Với những -u điểm trên, đặc biệt là -u điểm về khả năng uốn đ-ợc các ống có kích cỡ khá lớn và đ-ờng ống phức tạp Hiện nay thế giới có xu h-ớng sử dụng loại máy uốn ống kiểu trục tâm thay thế dần cho các loại máy uốn ống khác và đã đ-ợc ứng dụng cho một số ngành công nghiệp nh-: Công nghiệp đóng tàu, công nghiệp dầu khí, công nghiệp hoá chất, công nghiệp lạnh và điều hoà không khí

1.2.2 Một số loại thiết bị uốn ống

Hình 1.1: Máy uốn ống kiểu trục tâm điều khiển NC (do Trung Quốc chế tạo)

Hình 1.2: Máy uốn ống điều khiển bằng tay do Liên Xô (cũ) chế tạo

1.3 Lựa chọn kiểu máy uốn ống, Nguyên lý hoạt động, đặc điểm kết cấu của máy uốn ống kiểu trục tâm

Xuất phát từ những phân tích trên đây về -u nh-ợc điểm, phạm vi ứng dụng

của các lọai máy uốn ống, Đề tài chọn lọai máy uốn ống kiểu trục tâm,làm đối

t-ợng nghiên cứu, tích hợp

1.4 Mục đích, ý nghĩa của luận văn

Đối với xã hội nhu cầu về ống uốn rất lớn Các nhà máy này cần các máy uốn ống với các ống có đ-ờng kính khác nhau có độ chính xác cao và có khả năng tự

động hoá cao

Hiện nay, các thiết bị uốn ống sử dụng trong các nhà máy chủ yếu là các máy uốn ống điều khiển PLC của Trung Quốc và của Nga chế tạo Một vài nhà máy đóng tàu đã bắt đầu nhập các máy uốn ống CNC của Đức, nh-ng với giá thành nhập khẩu rất cao (khoảng 15 – 20 tỷ một thiết bị) Các máy uốn ống điều khiển PLC có hiệu suất thấp, tính linh hoạt và độ tin cậy không cao, chỉ tiêu về độ chính xác của ống

uốn khó đảm bảo,

Cho tới thời điểm này, Sau khi tìm hiểu kết cấu cơ khí của máy uốn ống thì với năng lực thiết kế và chế tạo trong n-ớc chúng ta hoàn toàn có thể chế tạo máy uốn ống có điều khiển số để thay thế cho các máy kiểu cũ nhập ngoại

ở n-ớc ta, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy uốn ống CNC vẫn ch-a đ-ợc thực hiện một cách khoa học và có tính hệ thống, vì vậy đề tài đ-a ra để thúc đẩy việc thiết kế chế tạo các sản phẩm cơ khí và điều khiển số của các thiết bị cơ khí nói chung và máy uốn ống điều khiển số nói riêng thay thế cho sản phẩm nhập ngoại tạo

điều kiện thúc đẩy ngành công nghiệp trong n-ớc phát triển ngang tầm với các n-ớc trong khu vực và thế giới

Trong đề tài này tập trung vào một số điểm sau

- Sơ đồ nguyên lý của máy uốn ống

- Các bộ phận, kết cấu cơ khí điển hình của máy, các chi tiết cơ khí quan trọng

- Hệ thống thuỷ lực, và hệ thống điều khiển thuỷ lực của máy

- Điều khiển CNC, Điều khiển linh hoạt các chuyển động của máy để đảm bảo uốn đ-ợc các ống có hình dạng và kích th-ớc yêu cầu

1.5 Các sản phẩm ống uốn và ứng dụng

- Các sản phẩm ống uốn đ-ợc ứng dụng rất đa dạng về hình dáng và phạm vi ứng dụng nh- : ống dẫn dầu, ống dẫn n-ớc, ống dẫn khí, và ống làm trang trí phục

vụ cho các ngành công nghiệp dầu khí,Công nghiệp đóng tàu, công nghiệp dầu khí, công nghiệp hoá chất, công nghiệp lạnh và điều hoà không khí

- Ngoài ra trong các ngành công nghiệp nhẹ nh- trang trí nội ngoại thất cũng

đang sử dụng rất nhiều các loại ống uốn khác nhau, các sản phảm này ngày càng đòi hỏi cao về chất l-ợng hình dạng thay đổi liên tục theo thị hiếu của ng-ời tiêu dùng,

do vậy các máy uốn ống thủ công hoặc bán tự động hiện nay không thể đáp ứng

đ-ợc yêu cầu của thị tr-ờng vì các máy này chỉ uốn đ-ợc một số hình dạng nhất

định, việc thay đổi hình dạng là rất khó khăn và khó đảm bảo đ-ợc độ chính xác Vì vậy máy uốn ống CNC đang đ-ợc phát triển rất mạnh mẽ

Ch-ơng 2 Cơ sở khoa học và công nghệ quá trình uốn ống

2.1 Sự phân bố ứng suất và biến dạng theo chiều dày của ống uốn

Uốn là một nguyên công nhằm biến đổi các ống uốn (phôi) có trục thẳng thành các chi tiết có trục cong

Nguyên công uốn đ-ợc thực hiện trên các máy uốn ống dạng con lăn, dạng trục tâm, trên máy uốn ống vạn năng hay máy uốn ống tự động điều khiển từ máy tính Biên dạng ống uốn đ-ợc tạo ra bằng các biên dạng khuôn uốn trên các máy uốn ống Lực uốn P và lực kẹp ống Q sẽ tạo ra mômen uốn làm thay đổi hình dạng của phôi Trong quá trình uốn độ cong của phần phôi bị biến dạng sẽ tăng lên và tại vùng biến dạng xảy ra quá trình biến dạng khác nhau ở hai phía của phôi; các lớp kim loại ở phía mặt ngoài góc uốn thì bị kéo còn các lớp bên trong thì bị nén Khi giảm bán kính uốn, biến dạng dẻo sẽ bao trùm toàn bộ chiều dày phôi

Sau khi uốn hình dạng và kích th-ớc tiết diện ngang của phôi tại vùng uốn bị thay đổi Sự thay đổi tiết diện ngang của phôi sẽ càng lớn khi bán kính uốn r càng nhỏ

Sự thay đổi tiết diện ngang tại vùng uốn là do biến dạng dẻo theo bán kính khuôn uốn với điều kiện thể tích không đổi đã kéo theo biến dạng dẻo ng-ợc dấu theo một hoặc hai h-ớng t-ơng ứng vuông góc: h-ớng kính và h-ớng trục

Khi uốn các phôi có thành mỏng có tiết diện ngang hình tròn thì sau khi uốn tiết diện ngang của phôi tại vùng uốn sẽ bị biến dạng và trở thành hình ô van Khi đó chiều dày của phôi tại vùng uốn giảm đi S < S0 và khi mức độ biến dạng lớn (bán kính uốn nhỏ) tiết diện ngang của phôi tại vùng uốn có độ cong ngang

Khi uốn phôi có thành dầy tiết diện ngang của phôi hầu nh- không thay đổi

mà chỉ bị giảm chiều dày đi một chút

Trạng thái ứng suất tại vùng uốn đặc tr-ng bởi ứng suất pháp  theo h-ớng tiếp tuyến và theo h-ớng kính ứng suất  là do các thớ dọc của phôi ép lên nhau Sự xuất hiện thành phần ứng suất này là do biến dạng dàn hồi của các phần tử của phôi (theo chiều rộng) nằm cách mép của phôi một khoảng nào đó (hình 2.1)

Khi uốn phôi thành dày biến dạng theo ph-ơng ngang hầu nh- không đáng

kể do trở lực biến dạng theo ph-ơng ngang rất lớn Vì vậy, khi uốn ống dày, trạng thái ứng suất là khối còn trạng thái biến dạng là phẳng Khi uốn ống dày có thêm thành phần ứng suất là do trở lực liên kết của các phần tử kim loại Trong vùng kéo, ứng suất chiều trục  là ứng suất kéo, còn ở vùng nén  là ứng suất nén Bề mặt phân chia giữa vùng kéo và vùng nén gọi là mặt trung hòa ứng suất

Khi uốn ống mỏng, ứng suất chiều trục rất nhỏ so với ứng suất chảy nên có thể bỏ qua ( 0) Vì vậy, khi uốn ống mỏng, trạng thái ứng suất có thể coi là trạng thái ứng suất phẳng

Giá trị và sự phân bố ứng suất trong vùng biến dạng dẻo tùy thuộc vào bán kính cong của ống uốn ở giai đoạn đầu, bán kính cong của ống lớn, ống chỉ bị biến dạng đàn hồi và giai đoạn này gọi là uốn đàn hồi

Hình 2.1 Biểu đồ phân bố ứng suất theo chiều dày của ống uốn ở các giai đoạn:

a- uốn đàn hồi dẻo; b- uốn dẻo hoàn toàn;

Nếu chúng ta tiếp tục uốn, bán kính uốn giảm dần, các lớp kim loại ở xa tâm phôi bắt đầu bị biến dạng dẻo Khi đó ứng suất tiếp tuyến  trong các lớp này đạt

đến giá trị ứng suất chảy Giai đoạn này đ-ợc gọi là giai đoạn uốn đàn hồi dẻo (hay còn gọi là trạng thái đàn dẻo) Biểu đồ phân bố ứng suất  đ-ợc biểu diễn trên hình 2.1

Nếu tiếp tục giảm bán kính uốn thì vùng biến dạng dẻo sẽ tăng lên còn vùng biến dạng đàn hồi giảm đi và khi tỷ số r/S  5 thì hầu nh- toàn bộ tiết diện ngang của phôi ở trạng thái dẻo, bắt đầu giai đoạn uốn dẻo hoàn toàn ở giai đoạn này xảy

ra sự dịch chuyển rõ rệt của lớp bề mặt trung hoà ứng suất về phía các thớ bị nén của phôi, sự dịch chuyển này sẽ tăng lên khi bán kính uốn giảm Biểu đồ phân bố ứng suất , ,  theo chiều dày của phôi ở giai đoạn uốn dẻo hoàn toàn đ-ợc chỉ ra trên hình 2.1

ở giai đoạn uốn dẻo hoàn toàn, do có sự dịch chuyển của lớp trung hoà ứng suất, nên ở vùng biến dạng sẽ tồn tại một vùng biến dạng không đơn điệu Nghĩa là

có những lớp kim loại ở thời điểm tr-ớc đó thuộc vùng nén, nh-ng sau đó lại chịu kéo Giữa các lớp này sẽ tồn tại một lớp mà biến dạng nén tr-ớc đó sẽ bằng biến dạng kéo tại thời điểm đang xét và bề mặt trùng với lớp này đ-ợc gọi là mặt trung hoà biến dạng (hay lớp trung hoà biến dạng) Đặc điểm của lớp trung hoà biến dạng

là có độ dài bằng độ dài của phôi ban đầu, vì vậy nó là cơ sở tốt nhất để xác định độ dài của phôi khi uốn (hình 2.2)

Hình 2.2 Vị trí của lớp trung hoà biến dạng

Bán kính cong của lớp trung hoà đ-ợc xác định tuỳ thuộc vào mức độ biến dạng và loại vật liệu khi uốn Những đặc tr-ng về năng l-ợng khi uốn (mômen uốn, lực biến dạng) cũng nh- biến dạng đàn hồi của ống uốn (xuất hiện sau khi bỏ tải trọng) đ-ợc xác định một cách gần đúng với một giai đoạn nhất định của quá trình uốn có liên quan đến mức độ thay đổi bán kính uốn: trạng thái ứng suất biến dạng của vùng biến dạng, trị số ứng suất và bán kính cong của mặt trung hoà

2.2 Kích th-ớc của ống uốn khi uốn

Độ dài của phôi (ống uốn) khi uốn tại một góc uốn đ-ợc xác định trên cơ sở cân bằng với độ dài của lớp trung hòa biến dạng Do vậy đối với một chi tiết uốn, độ dài của phôi sẽ bao gồm: tổng độ dài của các phần cạnh thẳng và tổng độ dài của các phần cung cong là các bán kính cong của lớp trung hoà biến dạng tại các góc uốn

bdi i n

i i

 - trị số các góc uốn;

bdi

 - bán kính cong của lớp trung hoà biến dạng tại các góc uốn

Nh- vậy muốn xác định đ-ợc độ dài của phôi cần phải xác định đ-ợc vị trí của lớp trung hoà biến dạng, bán kính cong và độ dài của lớp trung hoà biến dạng tại một góc uốn

ở giai đoạn uốn đàn hồi dẻo và ngay cả khi uốn dẻo thuần tuý thẳng với bán kính uốn t-ơng đối lớn thì lớp trung hoà biến dạng sẽ đi qua trọng tâm tiết diện ngang của phôi Nếu tiết diện ngang của phôi là hình tròn với đ-ờng kính D thì:

bd

 = r + D/2, trong đó: r là bán kính uốn

ở giai đoạn uốn dẻo hoàn toàn, trạng thái biến dạng khối với bán kính uốn nhỏ, do có sự dịch chuyển lớp trung hoà ứng suất về phía tâm uốn nên lớp trung hoà biến dạng sẽ dịch chuyển về các thớ nén mà không đi qua trọng tâm tiết diện ngang của phôi Sự dịch chuyển này sẽ càng nhiều khi bán kính uốn càng nhỏ

Bán kính cong của lớp trung hoà ứng suất có thể đ-ợc xác định từ điều kiện cân bằng với bán kính cong lớn nhất của lớp kim loại chịu nén:

trong đó:

ρ-s – bán kính cong của lớp trung hoà ứng suất;

R, r – bán kính ngoài và bán kinh trong của phôi tại góc uốn

Khi uốn phôi ở trạng thái nguội sẽ có sự hoá bền nh-ng điều đó không ảnh h-ởng đến trị số của r

Công thức (2.2) có thể sử dụng để xác định bán kính cong của lớp trung hoà biến dạng

Theo công thức (2.2):

Nh- vậy, khi biết đ-ợc vị trí lớp trung hoà biến dạng chúng ta có thể xác định

đ-ợc độ dài của nó và do đó xác định đ-ợc độ dài của phôi uốn (công thức (2.1))

Khi uốn phôi ống thành dày tiết diện ngang của phôi tại vùng uốn thay đổi không đáng kể và chủ yếu chỉ bị giảm chiều dày S Sự biến mỏng chiều dày S tại vùng uốn có thể đ-ợc xác định gần đúng theo công thức:

Sb.mỏng = .S (2.5)

Trong đó:

η – hệ số giảm chiều dày;

S – chiều dày ban đầu của phôi (tr-ớc khi uốn)

2.3 Lực uốn và mômen uốn

Mômen cần thiết để uốn phôi ống đ-ợc xác định bằng tổng mômen sinh ra tại

vùng kéo và vùng nén do các ứng suất tiếp  đối với tâm uốn (hình 2.1)

R k

d b

d

Nếu giả thiết rằng ở giai đoạn uốn dẻo hoàn toàn với phôi ống thành dày, ứng

suất  tại vùng kéo và vùng nén không đổi trên toàn bộ chiều dày của nó và t-ơng

R

r S

 = 1 1,15: hệ số thay đổi tính đến sự ảnh h-ởng của ứng suất trung bình

đến b-ớc chuyển quy -ớc của kim loại ở trạng thái dẻo, hệ số này đạt đ-ợc trị số lớn nhất ở trạng thái biến dạng phẳng (hệ số loga)

ở giai đoạn uốn dẻo hoàn toàn với trạng thái biến dạng khối thì ứng suất

ở giai đoạn uốn đàn hồi - dẻo (hình 2.1-a) khi vùng biến dạng đàn hồi đáng

kể so với vùng biến dạng dẻo thì mômen uốn đ-ợc xác định bằng tổng mômen tác dụng tại vùng đàn hồi và vùng dẻo:

3

y bS

S

 (2.8)

trong đó: y - chiều rộng vùng biến dạng đàn hồi

Trong công thức trên, nếu y = S thì nó sẽ trở thành công thức để xác định mômen uốn đối với giai đoạn uốn đàn hồi:

M =

6

2

bS S



Nếu y = 0 thì nó sẽ trở thành công thức để xác định mômen uốn khi uốn dẻo hoàn toàn (công thức (2.7))

Công thức để xác định mômen uốn khi uốn dẻo hoàn toàn với trạng thái biến dạng khối, nếu tính đến sự hoá bền của vật liệu khi sử dụng đ-ờng gần đúng của đồ thị hoá bền ta có:

.

2 2 2

2 2

r R r

R r

R r

R

b S

Trong đó: Π – môđun hoá bền

Nếu Π = 0 thì công thức (2.9) sẽ trở thành công thức (2.7) khi vật liệu uốn không hoá bền

2.4 Biến dạng đàn hồi khi uốn

Quá trình uốn dẻo cũng giống nh- những dạng khác của quá trình biến dạng dẻo là bao gồm cả biến dạng đàn hồi và biến dạng đàn hồi này sẽ gây ra sự thay đổi hình dạng và kích th-ớc của chi tiết sau khi uốn so với hình dạng và kích th-ớc của khuôn nh-: bán kính uốn và góc uốn (hình 1.8) Sở dĩ có sự đàn hồi nh- vậy là do khi có tải (ngoại lực) tác dụng lên phôi, các lớp kim loại nằm ở vúng kéo có biến dạng đàn hồi nên bị co ngắn lại, còn các lớp kim loại ở vùng nén thì bị giãn ra Biến dạng đàn hồi khác nhau tại vùng kéo và vùng nén gây ra sự quay tiết diện ngang của phôi và tạo ra góc đàn hồi ∆α làm cho bán kính cong và góc uốn bị thay đổi

Hình 2.3 Sự biến dạng đàn hồi khi uốn

Biến dạng đàn hồi cần phải đ-ợc tính đến khi xác định kích th-ớc làm việc của khuôn Điều đó sẽ loại trừ đ-ợc việc nắn lại bằng tay sau khi dập Nếu biết đ-ợc các sị số đàn hồi và đặc điểm của sự thay đổi bán kính uốn và góc uốn thì chúng ta

có thể xác định đ-ợc các kích th-ớc làm việc của khuôn:

rch = rđ/hồi - ∆r = rchi tíêt - ∆r (2.10)

αc = αđ/hồi ± ∆r = αchi tiết ± ∆α (2.11)

E A Pôpv đã giải bài toán đơn giản nhất để xác định biến dạng đàn hồi khi uốn dẻo thuần tuý phôi ống thành dày bằng vật liệu đồng nhất không hoá bền với bán kính uốn đủ lớn (khi đó ảnh h-ởng của ứng suất nén h-ớng kính σρ có thể bỏ qua vì trị số của chúng t-ơng đối nhỏ):

Sự chấp nhận trong việc phân tích giả thuyết làm giảm độ chính xác tính toán trong công thức (2.12), vì thế nó chỉ thích hợp để đánh giá ảnh h-ởng của các yếu tố

đến biến dạng đàn hồi khi uốn Ví dụ các kim loại màu (hợp kim nhôm) có giới hạn chảy gần với giới hạn chảy của thép nh-ng có môđun đàn hồi nhỏ (nhỏ hơn 2  3 lần) so với thép, độ co giãn của thép càng lớn biến dạng đàn hồi càng tăng cùng với việc tăng bán kính uốn t-ơng đối r/S, góc uốn αu = (1800 - α) và σs (khi E = const)

Việc giải bài toán để xác định biến dạng đàn hồi khi uốn bởi mômen uốn ở giai đoạn uốn dẻo thuần tuý phẳng có tính đến sự hoá bền của kim loại đã đ-ợc E N Mosnhin thực hiện Các công thức có dạng:

t ch ch

ch

r E m

r S

r r

_

_ _

.

2

t ch t

ch u

r E

r

K K

m

.

0 1

K - hệ số hoá bền của kim loại;

Hệ số prôfin tiết diện ngang K1 đối với thép tròn K1 = +1,7

Công thức (2.13) có thể biến đổi cho tr-ờng hợp uốn phôi bằng kim loại không hoá bền (E’ = 0 và K0 = 0) có tiết diện ngang hình tròn (K1 =1,7)

.

_ _

3

t ch ch

r E

r r

Quá trình uốn ở trong khung do tác động của các lực ngang tác dụng vào phôi ở giữa các gối tựa Tuy nhiên tính quy luật khi uốn bằng mômen với mức độ gần đúng có thể sử dụng nh- là khi uốn bằng các lực ngang (điều đó đã đ-ợc xác

định bằng thực nghiệm) trừ khi uốn với bán kính uốn nhỏ, giá trị của biến dạng đàn hồi t-ơng ứng với giai đoạn uốn dẻo thuần tuý với trạng thái biến dạng khối

Khi bán kính uốn t-ơng đối nhỏ thì sau khi có sự tiếp xúc của phôi với mặt bên của đầu kẹp ống, nếu đầu kẹp tiếp tục đi về phía tr-ớc sẽ xảy ra đồng thời quá trình giảm bán kính uốn tại vùng tâm phôi và quá trình nắn phần cánh của nó Sau khi bỏ ngoại lực, do biến dạng đàn hồi ở vùng tâm phôi tiếp xúc với bán kính cong của đầu kẹp làm cho góc uốn giữa các cánh uốn tăng lên, nh-ng do sự nắn thẳng của các cánh uốn làm cho góc uốn giảm đi Sự giảm góc uốn giữa các cánh là khi bỏ tải trọng tác dụng, các lớp bị kéo của cánh uốn bị co lại, còn các lớp bị nén lại giãn dài

ra, do đó góc uốn ban đầu bị giảm đi Dạng đàn hồi nh- vậy đ-ợc gọi là đàn hồi

“âm”

Hình 2.4 Quan hệ giữa góc đàn hồi và bán kính uốn t-ơng đối

Những nghiên cứu lý thuyết khi uốn với bán kính l-ợn của đầu kẹp nhỏ ở cuối quá trình uốn có quá trình nắn các cánh của phôi đã chỉ ra rằng: khi uốn góc

đàn hồi đ-ợc xác định bằng hiệu số giữa góc đàn hồi ở phần tâm phôi và góc đàn hồi của phần cánh của nó:

∆α = ∆αg - ∆αcCần phải xác định rằng sự đàn hồi âm sẽ tăng lên khi giảm bán kính uốn và tăng khoảng cách giữa các gối tựa của phôi Từ những phân tích lý thuyết chúng ta

có đ-ợc công thức để xác định bán kính l-ợn cuả đầu kẹp khi ∆αg = ∆αcánh nghĩa là ∆α =

0, nh- sau:

2cos62sin3

2sin

S S

αuốn = αch.t + ∆α

Ngoài ra cũng phải xác định rằng sự đàn hồi cũng sẽ không có khi ∆α = 0 và

do đó αuốn = αch.t Sự thay đổi của góc đàn hồi ∆α phụ thuộc vào bán kính uốn t-ơng

đối của khuôn uốn

có sự đàn hồi Giá trị của bán kính uốn t-ơng đối này đ-ợc gọi là giá trị bán kính uốn t-ơng đối tối -u Qua đồ thị ta nhận thấy rằng các số liệu lý thuyết và số liệu thực nghiệm t-ơng đối trùng nhau

Nếu khe hở giữa đầu kẹp ống và khuôn uốn càng lớn thì góc ∆α càng lớn và phần lồi ở giữa phôi cũng càng lớn Khi đó bỏ tải trọng tất cả các phần tửcủa chi tiết, các phần phôi ở giữa, các cánh uốn và các phần tử ở góc đều bị biến dạng đàn hồi

Khi uốn ống có chặn phôi ở mặt đầu phần giữa của phôi không bị biến dạng, khi đó góc đàn hồi có thể coi nh- bằng tổng các góc đàn hồi của phần I (phần xung quanh mép l-ợn của chày) và phần II nằm trong khe hở giữa đầu kẹp và khuôn uốn

Sự biến dạng của phần I sẽ kết thúc tại thời điểm khi tâm bán kính l-ợn của các khuôn uốn(rch và rc) ở cùng một mức nằm ngang Xuất phát từ những giả thiết này V T Meserin và A R Ilin đã đ-a ra toán đồ để xác định góc đàn hồi tổng khi uốn ống hai con lăn Trình tự sử dụng toán đồ đ-ợc chỉ bởi mũi tên trên đ-ờng đứt của toán đồ (hình 2.4)

Từ toán đồ chúng ta có thể nhận thấy rằng: góc đàn hồi ∆α sẽ giảm khi bán uốn t-ơng đối

ở phần mặt đầu của bộ phận kẹp ống ng-ời ta làm rãnh lõm riêng, góc nghiêng có trị

số bằng ∆α và tiếp tuyến với phần bán kính l-ợn của khuôn uốn Còn trên tấm chặn ng-ời ta làm phần lồi t-ơng ứng với phần lõm của của bộ phận kẹp

Việc uốn đồng thời hai đầu kẹp nêu trên th-ờng đ-ợc dùng khi khoảng cách giữa các cánh uốn nhỏ hơn tổng chiều dài của chúng:

l < l 1 +l 2

Nếu không đảm bảo điều kiện này thì ng-ời ta thực hiện uốn tuần tự từng đầu một

2.5 Các ph-ơng pháp giảm biến dạng đàn hồi khi uốn

Một trong những ph-ơng pháp giảm biến dạng đàn hồi khi uốn chi tiết ống là thay đổi điều kiện công nghệ khi uốn, ví dụ nh- thiết kế thêm bộ phận gia nhiệt tại vùng uốn, uốn và giữ đầu kẹp trong một thời gian nhất định tr-ớc khi cắt tải Sự giữ

đầu kẹp sẽ kìm hãm biến dạng đàn hồi của chi tiết khi bỏ tải, góp phần làm giảm góc đàn hồi

Một ph-ơng pháp khác làm giảm biến dạng đàn hồi khi uốn là sử dụng các

bộ khuôn và máy uốn đặc biệt chuyên dùng Các bộ khuôn và máy uốn chuyên dùng này làm cho phôi không chỉ bị uốn mà còn bị kéo hoặc bị nén dọc theo trục phôi bởi các lực dọc trục Một trong những ph-ơng pháp làm giảm biến dạng đàn hồi khi uốn hai đầu kẹp là giảm khe hở giữa đầu kẹp và khuôn uốn Góc đàn hồi sẽ giảm đi khi uốn với khuôn có khe hở Z nhỏ hơn chiều dày của phôi (Z = 0,9S) Tuy nhiên khi đó

sẽ xuất hiện áp lực pháp tuyến cao lên bề mặt của khuôn, dẫn đến sự bám dính các hạt kim loại lên bề mặt khuôn do đó làm cho chi tiết bị xây x-ớc, giảm chất l-ợng

bề mặt của sản phẩm Để ngăn ngừa hiện t-ợng này, cần phải sử dụng các chất bôi trơn có hiệu quả với các chất độn thích hợp và khuôn cần phải đ-ợc mạ crôm

2.6 Xác định bán kính uốn nhỏ nhất cho phép

Bán kính uốn nhỏ nhất cho phép đ-ợc xác định trên cơ sở đảm bảo độ bền của các thớ kim loại ngoài cùng của phôi uốn tại vùng kéo Khi uốn các phôi ống thành mỏng, sự mất ổn định của các thớ ngoài cùng th-ờng gây ra các vết nứt, còn

đối với các phôi thành dày th-ờng có các vết nứt ở vùng kéo hoặc các nếp nhăn ở vùng nén; đối với các phôi cứng và giòn có thể bị đứt, gẫy tại vùng uốn

Bán kính uốn nhỏ nhất cho phép phụ thuộc vào tính dẻo và tính dị h-ớng của vật liệu phôi, chiều dày S, chất l-ợng bề mặt và trạng thái mép cắt của nó Ngoài ra, ph-ơng pháp uốn, trị số góc uốn và chiều rộng của phôi cũng có ảnh h-ởng đến giá trị của bán kính uốn nhỏ nhất cho phép

Có nhiều công thức để xác định bán kính uốn nhỏ nhất cho phép, trong đó có một công thức xác định trên cơ sở giả thiết rằng: mức độ biến dạng cho phép của lớp

ngoài cùng tại một vùng kéo không v-ợt quá biến dạng t-ơng đối trung bình khi kéo,

m in _

G A Smirnov-Aliev đã đ-a ra công thức để xác định các bán kính uốn nhỏ nhất cho phép

Một cách chính xác hơn, đối với kim loại đẳng h-ớng có tính đến sơ đồ không tuyến tính của trạng thái ứng suất tại vùng biến dạng Sử dụng hệ số độ cứng của sơ

kéo

Kết quả nghiên cứu đã đ-a ra đ-ợc công thức để xác định bán kính uốn t-ơng đối nhỏ nhất cho phép nh- sau:

_

47 , 0

47 , 0

m in

m in _

11

15,01

Đối với kim loại dị h-ớng hệ số độ cứng của sơ đồ trạng thái ứng suất có dạng

 * 2 90

*

*

*

90 1

90 1

min min _

S

r r

2 r r e  ; Trong công thức (2.19) đã tính đến không chỉ đặc tr-ng về tính dẻo mà còn cả đặc tr-ng về tính dị h-ớng của kim loại, khi r0* r90*  0 , 5 thì công thức (2.19) sẽ lại có dạng nh- công thức (2.18)

Khi tính toán theo các công thức (2.18) và (2.19) áp dụng cho một số tr-ờng hợp kim dùng trong ngành đóng tàu ng-ời ta đã thấy rằng nếu tính đến sự dị h-ớng của kim loại thì sẽ nhận đ-ợc sự trùng hợp gần nhất giữa các số liệu tính toán và số liệu thực nghiệm

Để thuận tiện cho việc tính toán theo công thức (2.19) cũng nh- tính đến ảnh h-ởng của tính dị h-ớng của kim loại đến bán kính uốn nhỏ nhất cho phép ng-ời ta

đã xây dựng thuật toán để tính rmin (hình 2.5) Từ toán đồ này chúng ta có thể thấy rằng: tuỳ thuộc vào tỷ số đặc tr-ng dị h-ớng *

Hình 2.5 Toán đồ để xác định bán kính uón cho phép

Đ-ờng kính của phôi cũng có ảnh h-ởng đến trị số bán kính uốn nhỏ nhất cho phép: khi đ-ờng kính ống uốn càng lớn thì bán kính uốn nhỏ nhất cho phép cũng càng lớn Sở dĩ nh- vậy là do khi đ-ờng kính ống uốn của phôi tăng lên, ứng suất kéo h-ớng trục σz tại vùng kéo cũng tăng lên, do đó làm giảm tính dẻo của kim loại ứng suất kéo h-ớng trục σz phân bố theo đ-ờng kính của phôi không đồng đều:

ở mép ngoài cùng σz = 0 và đạt giá trị cực đại ở giữa phôi Điều đó có thể giải thích

sự xuất hiện những vết nứt ở giữa chi tiết khi uốn mà không phải ở mép phôi cũng nh- sự hình thành dạng ô van tại vùng uốn của chi tiết

Sự hoá bền của kim loại xảy ra trong quá trình cắt phôi cũng có ảnh h-ởng

đến tri số bán kính uốn nhỏ nhất cho phép Trong tr-ờng hợp này, đôi khi sự hóa bền là nguyên nhân xuất hiện những vết nứt khi uốn do tính dẻo của vật liệu phôi bị giảm đi Khi đó, hoặc là phải ủ phôi để phục hồi tính dẻo, hoặc là th-ờng hoá, hoặc

là phải bỏ lớp kim loại đã bị bền bằng ph-ơng pháp gọt trong khuôn

Bằng thực nghiệm ng-ời ta đã xác định đ-ợc rằng: đối với những kim loại

đ-ợc sử dụng rộng rãi nhất trong chế tạo máy thì bán kính uốn nhỏ nhất cho phép thay đổi từ (0 8)S

Bán kính uốn nhỏ nhất cho phép chỉ có tác dụng ở những mép của kết cấu quan trọng, còn những tr-ờng hợp khác th-ờng lấy tăng lên từ (10 20)% bán kính uốn nhỏ nhất cho phép

Bản chất của quá trình uốn là ngoài mômen uốn ngoại lực tác động vào phôi ng-ời ta còn đặt vào phôi những lực kéo dọc trục, lực kéo này sẽ làm giảm mômen uốn Khi đó độ chính xác kích th-ớc của chi tiết uốn phụ thuộc vào mức độ biến dạng đàn hồi của nó sẽ đ-ợc nâng cao tỷ lệ với sự giảm mômen uốn Quy luật này

có thể xác định nhờ công thức biểu diễn quan hệ giữa mômen uốn M và lực kéo dọc trục N ở giai đoạn uốn dẻo thuần tuý khi uốn phôi có đ-ờng kính 1 đơn vị

.

s S

N S

Khi giảm mômen uốn M sẽ làm cho biến dạng đàn hồi của phôi giảm đi, khi giá trị của mômen uốn bằng không (M = 0) thì tất cả các lớp của phôi sẽ chỉ có lực kéo Khi đó sau khi bỏ tải, phôi chỉ bị biến dạng thẳng (biến dạng tuyến tính) còn biến dạng góc thực tế hầu nh- không có, tức là độ chính xác kích th-ớc của chi tiết uốn

sẽ tăng lên

2.7 Các dạng công nghệ uốn hiện nay

2.7.1 Uốn tự do

Hình 2.6 Sơ đồ uốn tự do

Uốn tự do (hình 2.6) đ-ợc tiến hành trên các thiết bị dơn giản chỉ cần 2 gối

đỡ và một lực P tác dụng, phôi đ-ợc đặt trên 2 gối đỡ và tác dụng vào chi tiết một lực cần thiết để làm biến dạng chi tiết khi uốn đ-ợc góc độ cần thiết thì nhả lực tác dụng P Ph-ơng pháp này khá đơn giả nh-ng độ chính xác của sản phẩm uốn không cao và không uốn đ-ợc các sản phẩm có hình dạng phức tạp

2.7.2 Uốn có kéo dọc trục

Hình 2.7 Sơ đồ uốn có kéo dọc trục:

a - sơ đồ quá trình uốn; b - sơ đồ máy uốn có kéo

Uốn có kéo dọc trục (hình 2.7-b) đ-ợc tiến hành trên máy chuyên dùng, phôi

đ-ợc kéo sơ bộ tr-ớc khi uốn và đ-ợc uốn có kéo xung quanh d-ỡng D-ỡng có hình dạng và kích th-ớc giống nh- của chi tiết Máy bao gồm các xilanh thuỷ lực để kéo

1, giá quay 2, xilanh thuỷ lực để quay giá quay 3, dẫn h-ớng 4, các tay đòn 5, d-ỡng uốn 6, giá đỡ 7, san ga kẹp 8 Quá trình làm việc của máy đ-ợc tự động hoá hoàn toàn, có thể điều chỉnh để uốn một chi tiết nào đó theo một ch-ơng trình đã lập sẵn

Khi uốn có kéo, sự đàn hồi của chi tiết là rất nhỏ không đáng kể, tuy nhiên

nó không thể triệt tiêu hoàn toàn bởi vì sự biến dạng của các lớp ở bên trong và bên ngoài của phôi là khác nhau, vì thế sự hoá bền của các lớp kim loại này cũng sẽ khác nhau và ảnh h-ởng đến biến dạng đàn hồi

Trong sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối, uốn có kéo những chi tiết t-ơng

đối nhỏ có thể thực hiện trong khuôn (hình 2.7-a); đặc điểm của bộ khuôn là có 2

đầu tr-ợt bên 3; những đầu tr-ợt này sẽ cùng với cối 1 dịch chuyển xuống phía d-ới

và phôi 2 tựa lên những dầu tr-ợt đó không chỉ bị uốn mà còn bị kéo theo h-ớng dọc bởi các lực ma sát tiếp xúc

2.7.3 Uốn có nén dọc trục

Hình 2.8 Sơ đồ khuôn uốn có nén (a) và (b)

Ph-ơng pháp uốn có nén dọc trục các phôi định hình trong khuôn Sơ đồ của khuôn này trên hình (2.8-b) Phôi đ-ợc đặt trên các gối tựa quay 2, sau đó chúng sẽ

đ-ợc hạ xuóng cùng cối 1, phôi sẽ đ-ợc uốn theo chày 3 ở cuối hành trình phần

mép của phôi tựa vào vai tựa 4 của đế khuôn d-ới và do đó khi cối 1 tiếp tục đi xuống sẽ sinh ra lực dọc trục để nén phôi

Tác dụng của lực nén dọc trục khi uốn có nén cũng t-ơng tự nh- tác dụng của lực kéo dọc trục khi uốn có kéo Chúng sẽ làm giảm mômen cần thiết để uốn dẻo phôi và do đó nâng cao độ chính xác kích th-ớc của chi tiết uốn Khi uốn có nén dọc trục bề mặt của lớp trung hoà ứng suất sẽ dịch chuyển về phía mặt lồi của phôi và khi ứng suất nén bằng σsthì mặt trung hoà ứng suất trùng với mặt ngoài của phôi

Ngoài việc nâng cao độ chính xác kích th-ớc của chi tiết uốn, khi uốn có nén còn cho phép nhận đ-ợc những chi tiết uốn hai góc (dạng chữ U) với bán kính uốn nhỏ Nếu ứng suất nén đạt đ-ợc giá trị σs thì có thể nhận đợc bán kính uốn nhỏ hơn chiều dày phôi (mặt ngoài)

2.7.4 Uốn kiểu trục tâm

Khi uốn ống với bán kính t-ơng đối nhỏ th-ờng có đặc điểm riêng liên quan

đến sự mất ổn định của phôi tại vùng nén làm xuất hiện những nếp nhăn, do vậy ng-ời ta sử dụng uốn kiểu trục tâm

Hình 2.9: Sơ đồ kết cấu quá trình uốn ống kiểu trục tâm

Quá trình uốn theo nguyên lý cuộn đ-ợc sử dụng rộng rãi để chế tạo các phần

tử của các hệ thống ống dẫn và các chi tiết khác nhau bằng các phôi có thành mỏng với đ-ờng kính từ 10  300 mm Sơ đồ của ph-ơng pháp uốn này đ-ợc biểu diễn trên hình 2.9 bao gồm: con lăn d-ỡng quay 1, các miéng kẹp 4 và 5 để giữ và định cữ cho lõi 2 và miếng kẹp tựa 3 Bộ dụng cụ thay thế này đ-ợc đặt trên máy uốn ống chuyên dùng Bánh d-ỡng 1 đ-ợc kẹp cứng trên trục chính của máy

Phôi là một đoạn ống đ-ợc lắp vào lõi 2 và đặt vào cữ phôi với một kích th-ớc yêu cầu đẫ đ-ợc tính toán Sau đó phôi đ-ợc kẹp chặt trong rãnh của d-ỡng 1 nhờ các miếng kẹp 4 và 5 Khi mở máy d-ỡng 1 sẽ quay với một góc uốn cần thiết rồi dừng lại, khi đó phôi sẽ đ-ợc cuộn vào d-ỡng 1 đồng thời với việc rút ra khỏi lõi

2 Lõi 2 đ-ợc cố định trên thân máy Miếng kẹp 3 bị kéo theo bởi lực ma sát và dịch chuyển cùng với phần thẳng của ống, đồng thời giữ và ép ống vào con lăn d-ỡng 1 Prôfin rãnh làm việc của con lăn d-ỡng đ-ợc làm bằng nửa cung tròn với mép l-ợn tròn nhỏ và có phần lồi ra quá nửa đ-ờng tròn Với hình dạng của rãnh nh- vậy sẽ hạn chế đ-ợc sự tăng chiều rộng tiết diện ngang của ống sau khi uốn

Để đề phòng tiết diện ngang của phôi bị méo cần phải có lõi Lõi có thể là nguyên một khối (hay gọi lõi cứng) hoặc có thể lắp ghép từ nhiều phần tử (hay gọi

là lõi uốnđ-ợc).Lõi đ-ợc chế tạo bằng thép chịu mài mòn và nhiệt luyện đạt độ cứng

52  58 HRC Để uốn ống bằng thép không gỉ hoặc kim loại màu và các hợp kim của chúng, ở bề mặt bên trong của ống không cho phép bị cào x-ớc ng-ời ta sử dụng các lõi bằng tectôlit (mác ΠT)

Phần làm việc của lõi đ-ợc l-ợn tròn (hình 2.9-a) hoặc có thể có dạng phức tạp nh- (hình 2.9-b) trong đó bán kính cong của phần làm viêc:

Rlõi = rtb + D/2

Với rtb - bán kính trung bình của ống cần uốn;

D - đ-ờng kính của lõi

Lõi dạng này có diện tích tiếp xúc với ống lớn, do đó tạo điều kiện thuận lợi hơn cho quá trình uốn vì nó hạn chế sự mất ổn định tiết diện ngang của ống

Hình 2.9 Cấu tạo của lõi nguyên (a,b) và lõi thép (c,d) để uốn ống

Nếu nh- khi uốn các ống thành mỏng bằng các lõi nguyên (cứng) mà độ

ôvan của ống v-ợt quá mức độ cho phép hoặc xuất hiện các nếp nhăn tại vùng nèn thì ng-ời ta sử dụng lõi sợi cán thép Lõi ghép đ-ợc lắp ráp từ những vòng hình cầu (hoặc những viên bi) đ-ợc luồn vào một sợi cán thép Một đầu cáp đ-ợc kẹp chặt vào một vòng đệm hãm, còn đầu kia đ-ợc kéo căng bởi một lò xo đặt trong lõi Lõi uốn tiếp xúc với bề mặt trong của ống trên toàn bộ phần biến dạng và chống lại sự mất ổn định của phôi Việc sử dụng lõi uốn loại này đặc biệt có hiệu quả khi uốn các ống có thành mỏng, có mặt trong đ-ợc tẩy sạch với chất bôi trơn thích hợp (hình 2.9-c,d)

Khi uốn ống, tại vùng kéo xảy ra sự biến mỏng thành ống Chiều dày thành ống tại vùng kéo khi uốn không có lõi với góc 900 đ-ợc xác định theo công thức:

Skéo = S0  

tb

ng R

S D

2

1  0

Trong đó:

S0 – chiều dày ban đầu của thành ống;

Dng - đ-ờng kính ngoài của ống;

Rtb – bán kính cong của cung đi qua trọng tâm tiết diện ngang của ống (trục tâm ống)

Khi uốn có lõi sự biến mỏng xảy ra mãnh liệt hơn, tuỳ thuộc vàp đ-ờng kính của ống, nó th-ờng lớn hơn từ 20  50% so với khi uốn không có lõi

Mômen uốn cần thiết để uốn đ-ợc xác định từ điều kiện cân bằng giữa mômen nội lực và ngoại lực Do vậy công thức để xác định mômen uốn khi uốn không có lõi với việc sử dụng đồ thị hoá bền tuyến tính có dạng sau:

0

3 2

8

S – chiều dày thành ống;

Dtb - đ-ờng kính trung bình;

Π – môđun hoá bền

Bằng thực nghiệm ng-ời ta đã xác định đ-ợc rằng khi uốn nguội các ống thép

có sử dụng lõi cứng, mômen uốn để thắng lực ma sát khi ống bị tr-ợt đối với lõi chiếm khoảng 70% so với mômen uốn cần thiết để biến dạng ống

2.7.5 Uốn có nung nóng cục bộ

Hình 2.10 Sơ đồ máy uốn ống có nung nóng cục bộ

Uốn có nung nóng cục bộ phôi là một ph-ơng pháp uốn trong đó phôi ống liên tục đ-ợc dịch chuyển qua dụng cụ cảm ứng cao tần để nung nóng rất nhanh một phần phôi rất hẹp, đồng thời chính là vùng chịu tác dụng của mômen uốn lên ống và

là ổ biến dạng dẻo trong quá trình uốn

Vùng đ-ợc nung nóng đồng thời là vùng biến dạng dẻo sẽ dịch chuyển dọc theo trục phôi Khi ra khỏi vùng biến dạng phần đã đ-ợc uốn cong của ống sẽ tạo thành phần cong của chi tiết cần chế tạo

Khi uốn có nung nóng cục bộ, sự tao nếp nhăn ở vùng nén hầu nh- không có,

do chiều rộng của vùng nung nóng nhỏ xảy ra quá trình chồn phần phôi đã đ-ợc nung d-ới tác dụng của ứng suất nén Điều đó cho phép có thể uốn ống với bán kính nhỏ mà không bị nhăn Ngoài ra, do không bị nung nóng, phần phôi nguội ngay sát vùng biến dạng có độ cứng lớn sẽ kìm hãm sự thay đổi hình dạng tiết diện ngang của phần phôi đã đ-ợc nung nóng Ph-ơng pháp uốn có nung nóng cục bộ đ-ợc sử dụng để chế tạo các chi tiết cong khác nhau trong hệ thống ống dẫn Để uốn ống có nung nóng cục bộ ng-ời ta sủ dụng một máy uốn ống chuyên dùng Sơ đồ nguyên lý của máy đ-ợc chỉ ra trên hình 2.10 Phôi đ-ợc đ-a vào giá tr-ợt 1 qua các con lăn dẫn h-ớng 2 và qua bộ cảm biến 3, bộ cảm biến sẽ nungnóng bằng dòng cao tần rất nhanh, một phần rất hẹp của phôi ống dến nhiệt độ 800  9000C Sau khi ra khỏi bộ phận cảm biến, phôi đ-ợc làm nguội bởi dòng n-ớc qua thiết bị phun (súng phun n-ớc) 4 Quá trình uốn ống đ-ợc thực hiện bởi con lăn số 5 mà vị trí của nó tuỳ thuộc vào trị dsố của bán kính uốn yêu cầu, đ-ợc xác định trực tiếp bởi đầu dò linh hoạt của hệ thống theo dõi đặc biệt hoặc bởi thiết bị chép hình đ-ợc sử dụng để uốn ống có thành mỏng với bán kính uốn nhỏ

Khi chiều rộng của vùng nung nóng là h = 3  4 mm và chiều dày t-ơng đối của thành ống S/D = 0,03  0,06 thì có thể uốn đ-ợc bán kính r = 1,5D mà không bị nhăn

-u điểm của quá trình uốn có nung nóng cục bộ là: có khả năng uốn ống với bán kính nhỏ mà không cần phải sử dụng lõi, không phải chế tạo các dụng cụ thay thế nh- d-ỡng uốn, lõi, v.v ; có khả năng tự động hoá quá trình uốn, độ ôvan của tiết diện ngang ống khi uốn nhỏ v.v

Nh-ợc điểm của ph-ơng pháp uốn này là năng suốt thấp (tốc độ dịch chuyển ống vào vùng nung nóng khoảng 0,2  4 mm/s), kích th-ớc của thiết bị lớn và giá thành cao, mặt bằng sản xuất phải lớn

Ngoài các ph-ơng pháo uốn ống trên, trong sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối ng-ời ta còn sử dụng uốn ống bằng khuôn trên các máy ép trục khuỷu hoặc trên máy uốn ngang Khi uốn ống bằng khuôn , chiều dày t-ơng đối của thành ống S/D ≥ 0,06 với bán kính r > (2  3)D (khi uốn không có chất độn bên trong)

Đặc điểm kết cấu của những bộ khuôn này là cối và chày có rãnh bán nguyệt, t-ơng ứng với tiết diện ngang của ống Ngoài ra để giảm lực ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa cối với phôi và ngăn ngừa những vết sây xát hoặc vết x-ớc trên bề mặt ống, khuôn phải thiết kế có con lăn ép quay đ-ợc hoặc các gối tựa có rãnh dạng con lăn

2.8 Bảng tiêu chuẩn các loại ống dùng trong ngành công nghiệp

K.Hiệu Đ.K ngoài ứi

Chiều dày ứy K.Lượng K.Hiệu Đ.K ngoài ứi