Nghiên cứu máy và công nghệ chế tạo tấm lan can chắn xô (hộ lan) dạng 3 sóng theo tiêu chuẩn

Tóm tắt nội dung chính Nội dung chính của luận văn bao gồm 04 chương sau: Chương 1: Tổng quan về công nghệ uốn lốc profil từ tấm và băng kim loại - Tìm hiểu về công nghệ uốn lốc; - Ph

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ UỐN LỐC PROFILE TỪ TẤM VÀ

1.1 Giới thiệu về công nghệ uốn lốc profile từ tấm và băng kim loại 10

1.3 Phạm vi ứng dụng của thép hình uốn lốc trong các lĩnh vực khác nhau 17

1.5 Tình hình nghiên cứu chế tạo máy uốn lốc profile 21

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ UỐN LỐC PROFILE TỪ

2.4 Lựa chọn đường cơ sở và bố trí phôi trên trục uốn 40

3.1 Giới thiệu sản phẩm 50

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng những điều được nêu ra trong luận văn thạc sĩ kỹ thuật "

Nghiên cứu máy và công nghệ chế tạo tấm lan can chắn xô (hộ lan) dạng 3 sóng theo tiêu chuẩn " là hoàn toàn đúng Tất cả kết quả thu được từ luận văn đều là từ quá

trình nghiên cứu Mọi tài liệu và sự trợ giúp thực hiện luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc

Khi viết bản luận văn này, tác giả có tham khảo và kế thừa một số kết quả nghiên cứu của các tác giả đi trước và sử dụng những thông tin số liệu từ các tạp chí, sách, mạng internet … theo danh mục tham khảo

Tác giả cam đoan không có sự sao chép nguyên văn từ bất kỳ luận văn nào hay nhờ người khác viết Tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về cam đoan của mình và chấp nhận mọi hình thức kỷ luật theo quy định của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả

NGUYỄN CAO VƯƠNG

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tổng quan công nghệ uốn hình từ tấm và băng kim loại 10

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ uốn hình chữ U 11

Hình 1.3 Một số dạng sản phẩm uốn hình từ phôi tấm được ứng dụng trong kết cấu máy và trong xây dựng 12

Hình 1.4 Sử dụng thép hình uốn trong xây dựng giao thông 13

Hình 1.5 Sơ đồ các phương pháp uốn 21

Hình 1.6 Sử dụng mô phỏng để tính toán 24

Hình 2.1 Các phương pháp thiết kế lỗ hình trục uốn hở 27

Hình 2.2 Uốn hình lòng máng 30

Hình 2.3 Sự thay đổi hình dạng phôi khi uốn thép hình chữ U 35

Hình 2.4 Giản đồ xác định mức độ giãn dài mép biên phôi 38

Hình 2.5 Giản đồ xác định r0/S0 theo mức độ biến dạng  38

Hình 2.6 Giản đồ xác định r1/S1 theo r1/S và  39

Hình 2.7 Phân tích điều kiện ăn phôi vào lỗ hình chữ E tại giá uốn thứ VIII bằng phương pháp tiết diện ( I-IV- số thứ tự tiết diện, A- đường uốn) 41

Hình 2.8 Các dạng sai hỏng khi uốn liên tục 43

Hình 3.1 Sản phẩm tấm hộ lan 3 sóng và ứng dụng 50

Hình 3.2 Sản phẩm hộ lan 2 sóng và ứng dụng 51

Hình 3.3 Bản vẽ sản phẩm hộ lan 3 sóng 52

Hình 3.4 Các bước uốn 54

Hình 3.5 Sự thay đổi hình dạng của phôi qua các lần uốn phần giữa của chi tiết; 55 Hình 3.6 Sự thay đổi hình dạng của phôi khi uốn hai uốnh của chi tiết; A- Uốn uốnh thứ nhất; B- Uốn uốnh thứ hai; 55

Hình 3.7 Bản vẽ phối trục các bước uốn 57

Hình 3.8 Những ưu điểm của mô phỏng 58

Hình 3.9 Quá trình tối ưu hóa công nghệ nhờ mô phỏng 59

Hình 3.10 Một số ứng dụng của phần mềm ABAQUS 60

Hình 3.11 Mô hình hình học được sử dụng để mô phỏng 61

Hình 3.12 Hình dạng phôi sau khi uốn 62

Hình 3.13 Trường ứng suất trên phôi khi uốn; A- Nhóm 1; B-Nhóm 2 63

Hình 3.14 Trường biến dạng trên phôi khi uốn; A- Nhóm 1; B-Nhóm 2 64

Hình 3.15 Phân bố chiều dày trên phôi khi uốn; A- Nhóm 1; B-Nhóm 2 65

Hình 3.16 Đồ thị lực uốn, Pi (i=1đến i=14) tương ứng với lực uốn trong bước uốn thứ i; 69

Hình 3.17 Mô men xoắn, Mi (i=1đến i=14) tương ứng với mô men xoắn trong bước uốn thứ i; 72

Hình 4.1 Sơ đồ máy uốn chuyển động bằng cơ khí 75

Hình 4.2 Sơ đồ máy uốn truyền động bằng thuỷ lực 76

Hình 4.3.Truyền động bằng Xích 78

Hình 4.4 Hệ thống truyền đông bằng trục vít bánh vít 79

Hình 4.5 Sơ đồ bố trí thiết bị uốn thép hình 81

Hình 4.5 Sơ đồ dẫn động cho một giá uốn 82

Hình 4.6 Trục chính 83

Hình 4.7 Khung giá 84

Hình 4.8 Cơ cấu điều chỉnh khe hở trục 85

Hình 4.9 Vành định vị 86

Hình 4.10 Bản vẽ kết cấu giá uốn uốn 86

Hình 4.11 Bản vẽ thiết kế giá uốn uốn thứ 14 87

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay thực tế thi công các công trình giao thông ở Việt Nam do có nhiều tuyến đường cong, lắm đèo dốc, đường cao tốc chính vì vậy các đơn vị thi công phải lắp đặt hai tấm hộ lan 2 sóng thì mới đảm bảo an toàn giao thông, khiến thời gian lắp đặt và tăng chi phí trong khi hiệu quả sử dụng chưa cao

Trong thời gian gần đây trên thế giới người ta nghiên cứu thiết kế, chế tạo, sử dụng tấm hộ lan 3 sóng để thay thế cho việc sử dụng các loại hộ lan 2 sóng do có thể giúp giảm thiểu tai nạn xảy ra ở các đoạn đường cong, đoạn đường cao, đèo dốc…

Do nhu cầu xây dựng hệ thống giao thông vận tải trong nước ta tăng mạnh, yêu cầu chất lượng ngày càng hiện đại hóa chính vì vậy việc ứng dụng các sản phẩm hộ lan

3 sóng để thay thế dần việc sử dụng hộ lan 2 sóng là một mục tiêu thiết thực hiện nay Đồng thời hiện nay trong nước các tài liệu về thiết kế cũng như chế tạo còn hạn chế

Chính vì những lý do trên em chọn đề tài tốt nghiệp là “Nghiên cứu máy và công nghệ chế tạo tấm lan can chắn xô (hộ lan) dạng 3 sóng theo tiêu chuẩn’’

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu: Mục đích nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu, tính toán công nghệ chế tạo từ đó tiến hành thiết kế máy uốn liên tục để chế tạo tấm lan can

chắn xô dạng 3 sóng

Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu dựa trên đối tượng cụ thể là tấm lan can dạng 3

sóng, và máy uốn liên tục để chế tạo tấm lan can dạng 3 sóng

Phạm vi nghiên cứu: sử dụng mô phỏng số để tính toán chế độ uốn liên tục cho tấm hộ lan 3 sóng, từ các kết quả tính toán xác định được các thông số năng lượng sử dụng cho thiết kế mô hình động máy, thiết kế chi tiết, nghiệm bền chi tiết máy, thiết kế máy uốn liên tục 3D

3 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp giữ tính toán lý thuyết kết hợp với mô phỏng

4 Tóm tắt nội dung chính

Nội dung chính của luận văn bao gồm 04 chương sau:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ uốn lốc profil từ tấm và băng kim loại

- Tìm hiểu về công nghệ uốn lốc;

- Phạm vi sử dụng của các sản phẩm uốn lốc;

- Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới;

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và công nghệ uốn lốc profil từ tấm và băng kim loại

- Cơ sở lý thuyết của quá trình uốn nguội: ứng suất, biến dạng, biến dạng đàn hồi sau khi uốn

- Nguyên lý tính toán biên dạng trục uốn;

- Phương pháp tính toán các thông số công nghệ khi uốn;

Chương 3: tính toán công nghệ chế tạo tấm chắn xô

- Nghiên cứu hình dạng, kích thước sản phẩm hộ lan 3 sóng;

- Tính toán công nghệ uốn liên tục: kích thước phôi, các bước uốn, khoảng cách giữa các cặp trục uốn

- Sử dụng mô hình 3D để mô phỏng công nghệ uốn liên tục để chế tạo hộ lan 3 sóng từ đó tính toán được các thông số công nghệ dưới dạng bảng và đồ thị sử dụng cho thiết kế máy: lực uốn, mô men xoắn

Chương 4: Thiết kế máy uốn tấm chắn xô dạng 3 sóng

- Nghiên cứu các hệ thống dẫn động thường gặp từ đó lựa chon hệ thống dẫn động phù hợp;

- Từ các thông số công nghệ tính toán được ở chương 3 tiến hành tính toán thiết

kế chi tiết cho máy uốn liên tục từ đó xây dựng mô hình 3D trên phần mềm solidwork

5 Kết luận

Nghiên cứu đã đạt được các kết quả chính sau:

Từ các công thức lý thuyết đưa ra được phương pháp uốn liên tục để chế tạo ra sản phẩm hộ lan 3 sóng:

- Xác định các thông số công nghệ: số cặp con lăn (giá uốn), khoảng cách giữa các cặp trục, biên dạng các con lăn công tác,

Thiết lập và tiến hành mô phỏng thành công bài toán uốn liên tục trên mô hình 3D bằng phần mềm mô phỏng Abaqus

Từ các kết quả tính toán mô phỏng cho thấy sự thay đổi hình dạng; sự phân bố trường ứng suất biến dạng, phân bố chiều dày phôi trong quá trình uốn

Dựa vào các kết quả tính mô phỏng toán đưa ra được thông số công nghệ chính của quá trình uốn: lực uốn và mô men xoắn tại các bước uốn

Thông qua các kết quả tính toán mô phỏng đã tính toán được các thông số kỹ thuật của máy, lựa chọn sơ đồ dẫn động phù hợp từ đó xây dựng mô hình máy 3D dựa trên phần mềm thiết kế cơ khí Solidwork

Các kết quả trong nghiên cứu này có thể được làm tại liệu tham khảo cho các nhà công nghệ sau này trong việc tính toán thiết kế máy chế tạo hộ lan 3 sóng, mở rộng ra là các loại sản phẩm có mặt cắt ngang dạng sóng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ UỐN LỐC PROFILE TỪ TẤM

VÀ BĂNG KIM LOẠI 1.1 Giới thiệu về công nghệ uốn lốc profile từ tấm và băng kim loại

Những ứng dụng đầu tiên của thép hình uốn lốc đã có từ thể kỉ 18 Ở nước Nga, thép hình uốn lốc mỏng thành đầu tiên được sử dụng vào năm 1838 trong công trình sửa chữa cải tạo Cung điện Mùa Đông sau trận cháy lớn Còn nước Mỹ năm 1855 để xây dựng tòa nhà công vụ ở New York đã sửu dụng thép hình uốn chữ U với chiều dày

từ 1.6 mm đến 3.6 mm liên kết bu lông Khi đó quá trình uốn thép hình được thực hiện trên máy ép năng suất thấp

Hình 1.1 Tổng quan công nghệ uốn hình từ tấm và băng kim loại

Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp và dân dụng, đặc biệt ngành công nghiệp xây dựng, chế tạo máy, công nghiệp đóng toa xe lửa nói riêng đã đòi hỏi phát triển các phương pháp sản xuất thép hình uốn Để đáp ứng được nhu cầu phát triển trong lĩnh vực thép hình uốn, đầu thế kỷ 20 phương pháp uốn trên máy ép được thay thế bằng phương pháp uốn liên tục trên các máy uốn dạng trục Hệ máy uốn thép hình mới có năng suất cao hơn, chất lượng sản phẩm tốt hơn và giá thành lại rẻ hơn Ở nhiều nước đã xây dựng và đưa vào sản xuất các máy uốn liên tục với phôi ban đầu là tấm hoặc băng kim loại Năm 1910 Mỹ là quốc gia đầu tiên xây dựng các dây chuyền uốn thép hình có năng suất cao đáp ứng được các yêu cầu trên, còn ở châu Âu, các dây chuyền uốn hình tương tự được xây lắp muộn hơn

Hình 1.2 Sơ đồ công nghệ uốn hình chữ U

Thép hình uốn nguội có hàng loạt ưu điểm so với uốn hình thép nóng Ưu thế nổi trội hơn cả thép hình uốn có biên dạng phức tạp, thành mỏng kết cấu nhẹ nhưng có

độ bền uốn cao Giá thành thép hình uốn thấp Khả năng sử dụng thép hình uốn rộng rãi trong các ngành công nghiệp và xây dựng Việc sử dụng thép hình uốn cho phép tiết kiệm ít nhất 30% kim loại so với thép hình uốn

Hình 1.3 Một số dạng sản phẩm uốn hình từ phôi tấm được ứng dụng trong kết cấu

máy và trong xây dựng

Thép hình uốn có độ chính xác đảm bảo yêu cầu sử dụng, chính vì vậy chúng

có thể được sử dụng để chế tạo các chi tiết, kết cấu máy mà không phải gia công cơ khí tiếp theo Thép hình uốn được chế tạo từ thép phôi uốn nguội có chất lượng bề mặt tốt, điều đó cho phép phun phủ lên chúng các loại chất mà không phải gia công đặc biệt Bằng phương pháp uốn hình có thể chế tạo được các sản phẩm từ phôi đã được phun phủ và xử lý bề mặt trước mà không làm hư hại bề mặt Các thép hình uốn mạ kẽm, phủ chất dẻo, các tấm uốn sóng và các thanh uốn hình có khả năng chống gỉ cao được sử dụng rộng rãi trong xây lắp các nhà xưởng công nghiệp và dân dụng, công nghiệp đóng tàu, xe

Sự phát triển của ngành sản xuất thép hình uốn không chỉ thể hiện trong tổng sản lượng mà còn thể hiện cả trong sự nâng cao về chất lượng, chủng loại, cỡ kích thước và hình dạng thép hình uốn Sản lượng hình uốn hợp kim, trong đó có cả hợp kim thép không gỉ, chịu nhiệt độ cao, độ bền cao… ngày càng phát triển Các kích thước thép hình uốn được mở rộng Hình dạng tiết diện ngang và tiết diện dọc của thép hình uốn càng ngày càng phức tạp

Trong những năm gần đây ở các quốc gia công nghiệp hiện đại và tự chủ đều có nền sản xuất thép hình uốn kín Trước hết phải nói đến ống thép đường kính lớn Chúng có vai trò đặc biệt quan trọng trong công nghiệp dầu khí, vận tải dầu khí, vận tải các loại hạt rắn Riêng hệ thống đồng ống vận chuyển dầu khí đã trở thành một vấn

đề thời sự quốc tế quan trọng Nhiều van đề kỹ thuật đặt ra như: chế tạo các loại ống với các kích thước và từ nhiều vật liệu khác nhau; nghiên cứu mạng lưới ống dẫn dầu, khí đốt cho từng nước

Ngoài những hệ thống đường ống trên mặt đất, ngầm dưới đất, trong những năm gần đây do sự phát triển việc khai thác dầu trên thềm lục địa và đại dương (107

m3/ngày) các quốc gia đã xây dựng hệ thống đường ống dẫn khí dưới nước biển

Hình 1.4 Sử dụng thép hình uốn trong xây dựng giao thông

1.2 Đặc tính kỹ thuật của thép hình uốn lốc

Đặc tính kỹ thuật của thép hình uốn được thể hiện trong Tiêu chuẩn Nhà nước Việt Nam Còn trong khuôn khổ của luận văn này chỉ trình bày một số tiêu chuẩn chính

Thép hình uốn rất đa dạng về hình dạng, kích thước và lĩnh vực sử dụng tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật và điều kiện làm việc của các kết cấu cần thiết Nhóm sản

phẩm đặc biệt theo tiêu chí về công nghệ chế tạo và khả năng sử dụng là nhóm thép uốn hình độ bền cao

Các đặc tính chính của thép hình uốn:

- Dạng sản phẩm: +Hở (góc, chữ U, lòng máng, chữ C, chữ Z, uốn lượn sóng…); + Kín ( ống hình: tròn, chữ nhật, vuông, đa giác…)

Vật liệu sản xuất thép uốn hình có thể có bề mặt đã tẩy rửa hoặc chưa tẩy rửa tùy thuộc vào mục đích sử dụng và kích thước của hình uốn Trong trường hợp sản xuất ống hàn, phôi phải được làm sạch dầu mỡ Còn lại các trường hợp khác phôi uôn không nên làm sạch dầu mỡ

Vật liệu sản xuất thép hình uốn có hình dạng phức tạp không nên có trong tổ chức tế vi xementit (Fe3C) ( vì dễ làm xuất hiện các vết nứt tại vùng uốn) và vùng giới hạn chảy trong giản đồ kéo không nên quá nhỏ (làm xuất hiện các vết rạn nứt trên bề mặt hình uốn)

Bảng 1.1 Phân loại thép theo hàm lƣợng Cácbon (C) mà Mangan (Mn)

Các loại thép hình uốn theo thành phần hóa học và cơ tính được chia làm 3 nhóm I – thép chất lượng thường; II – thép chất lượng; III – thép hợp kim thấp;

Các loại thép hình uốn trong từng nhóm được phân chia theo hàm lượng C và

Mn có trong chúng, tương quan giữa các thành phần này được biểu diễn trong bảng 1.1

Tương ứng với các loại thép với hàm lượng C và Mn như trong bảng 1.2

+ Phôi thép uốn hình khá đa dạng:

- Phôi dạng tấm: tấm, dải hoặc băng kim loại có chiều dày không đổi

- Phôi được tạo hình trước: có chiều dày không đổi

- Phôi bimetal: phôi kim loại có hai lớp

- Phôi phủ bề mặt: phôi có lớp phủ bảo bệ và trang trí trên bề mặt

- Phôi chu kì: phôi có hình dạng biến đổi chu kì theo chiều dài

+ Các dạng thép hình uốn:

- Thép hình uốn hở: Phôi được uốn hình nhưng các mép biên phôi không tiếp xúc với nhau, hở gồm có các loại như: hình lòng máng, hình chữ U, hình chữ Z, hình chữ C, tấm uốn lượn sóng ( tấm uốn múi)…

- Thép hình uốn kín: Phôi được uốn sao cho các mép biên phôi tiếp xúc kín với nhau hoặc được hàn kín Gồm có các loại như: ống có tiết diện vuông, tam giác,

ô van, tròn…

- Thép hình uốn đặc biệt:

Các loại hình uốn theo biên dạng đặc biệt;

Hình uốn từ phôi được khoan, hoặc đục lỗ;

Hình uốn từ phôi có bề mặt nhám;

Hình uốn từ phôi có chiều dày thay đổi;

Hình uốn từ phôi bimetal;

Hình uốn từ phôi được phủ, trang trí bề mặt;

1.3 Phạm vi ứng dụng của thép hình uốn lốc trong các lĩnh vực khác nhau

Thép hình uốn rất đa dạng và phong phú theo biên dạng, kích thước, tiết diện ngang: hình chữ U, L, O, … các loại tấm lợp, vành xe máy, dải phân cách đường bộ, kết cấu máy, máng cáp điện, công nghiệp đóng toa xe, bản cực (+) tĩnh điện… Được chế tạo trên các máy uốn nguội hoặc uốn nóng từ các phôi kim loại dạng tấm, dạng dải hoặc dạng băng với chiều dày không đổi Chính vì các ưu điểm này mà thép hình uốn được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân, cũng như quốc phòng

Trước đây để sản xuất thép hình uốn thường sử dụng một số phương pháp gia công áp lực như: dập, ép và chuốt… Tuy nhiên, bằng các phương pháp này không thể sản xuất các sản phẩm có chiều dài, chiều rộng và chiều dày lớn, đồng thời năng suất

của chúng thấp, hệ số tiêu hao kim loại cao, giá thành cao và không thể chế tạo được các sản phẩm có hình dạng phức tạp Để khắc phục các yếu điểm nêu trên cần có các phương pháp chế tạo mới và thực hiện trên các thiết bị mới hiện đại có điều khiển Điều đó dường như chỉ có thể thực hiện được trên các loại máy uốn dạng trục, tương

tự như các loại máy uốn thép

Trên các máy uốn dạng trục có thể chế tạo được thép hình uốn hở (hình 1.4a) và thép hình uốn kín (hình 1.4b).Ngoài ra còn có thép hình uốn kín được chế tạo bằng phương pháp tổng hợp như: ống hàn dọc, ống hàn xoắn, ống hàn có hình dạng biến đổi theo chu kỳ, ống hàn có chất phủ bề mặt chống gỉ, chống axit từ các loại hợp kim độ bền cao

Các loại thép hình uốn thường có chiều dày không thay đổi trên toàn bộ tiết diện ngang cũng như theo chiều dài, điều đó làm đơn giản hóa quy trình công nghệ gia công cơ khí và lắp ráp

Các loại thép hình uốn, đặc biệt sản phẩm nguội có chất lượng bề mặt cao, điều

đó cho phép sơn phủ bề mặt chúng mà không phải gia công cơ khí thêm Sự hoàn thiện không có khuyết tật trên bề mặt thép hình uốn tạo điều kiện nâng cao khả năng chống

Việc uốn phôi trên các trục uốn cho phép chế tạo được các loại thép hình có

độ phân bố kim loại đồng đều theo tiết diện ngang và kết quả là có độ cứng vững độ bền cao, mức độ tiêu hao kim loại ít

Bằng phương pháp uốn có thể chế tạo được các thép hình uốn có biên dạng phức tạp,

có khả năng biến đổi phương án lưa chọn chi tiết máy

So với uốn hình nóng, phương pháp uốn hình đảm bảo khả năng gia công các thép hình với độ chính xác cao hơn Nhờ độ chính xác cao hơn của các sản phẩm uốn hình mà ta có thể chế tạo các loại thép hình liên kết với nhau bằng các ống nối, khung hoặc của các liên kết trượt

1.4 Phân loại các phương pháp uốn lốc [1]

Uốn hình là một trong những phương pháp gia công kim loại bằng áp lực làm biến dạng phôi (dạng tấm, dải băng) thành các sản phẩm: hình chữ V, chữ U, chữ C, chữ Z, tấm lượn sóng, ống tròn, ống vuông, … Tùy theo phương pháp uốn hình dạng

và kích thước khác nhau So với quá trình uốn hình, uốn ống thì quá trình uốn đòi hỏi mức tiêu hao năng lượng thấp hơn, vốn đầu tư thiết bị nhỏ hơn Đó là ưu điểm nổi bật nhất của các quá trình uốn

Phụ thuộc vào kích thước của phôi và sản phẩm uốn, mục đích sử dụng và các khâu gia công tiếp theo mà quá trình uốn có thể được thực hiện theo những phương pháp khác nhau Mỗi phương pháp đó đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Các phương pháp uốn có thể được phân loại thành nhóm theo các đặc điểm chính như sau:

+ Theo nhiệt độ uốn của phôi: uốn nóng và uốn nguội;

+ Theo đặc điểm của quá trình uốn: uốn đơn chiếc, uốn liên tục;

+ Theo phương pháp uốn: uốn trên máy uốn 3 trục hoặc 4 trục, uốn trên máy

ép, uốn trên máy uốn liên tục, uốn dọc hoặc uốn xoắn;

+ Theo phương pháp hàn: lò hình phễu, lò liên tục, hàn điện một chiều, hàn điện xoay chiều, hàn điện trở, hàn cảm ứng, hàn cao tần, hàn siêu âm, hàn hồ quang dưới bột trợ dung, hàn điện tử, hàn laze, hàn plasma…

A) Uốn trên máy uốn liên tục

B Uốn trên máy uốn 3 trục hoặc 4 trục

C) Uốn trên máy ép

D) Uốn xoắn

Hình 1.5 Sơ đồ các phương pháp uốn

+ Theo số lượng và hướng của đường hàn trên các loại ống: một hoặc 2 đường hàn dọc hoặc hàn xoắn

1.5 Tình hình nghiên cứu chế tạo máy uốn lốc profile

1.5.1 Trên Thế giới

Ở Anh trong những năm 70 của thế kỷ XX đã kết thúc đợt đầu xây dựng đường ống dẫn dầu ở biển Bắc đường kính 900 mm, dài 150 km, ở độ sâu 120 m đến 150 m, nối liền khu dầu mỏ Comôrat với Aixlen bằng 140 nghìn ống Bimetal với tổng kinh phí 450 triệu Mác Đến năm 1980 đã hoàn thành tiếp 1839 km ống dẫn khí đường kính

ổn thỏa vấn đề góp vốn xây dựng tuyến đường ống dẫn khí đốt sang Trung và Nam Âu

mang tên South Stream Đó là tuyến đường ống dẫn khí đốt thứ hai cung ứng trực tiếp cho EU mà khốn phải quá cảnh sang nước nào South Stream xuất phát từ LB Nga đi ngầm dưới biển Đen sang Bungari rồi chia thành hai ngả: Một ngả dẫn đến Italia và

Hy Lạp, ngả kia sang Romani, Serbia, Hungary, Slovenia và Áo

LB Nga vừa khành thành hệ thống đường ống dẫn dầu thứ hai từ Đông Serbia đến Thái Bình Dương (ESPRO) với mục tiêu tăng gấp đôi lượng dầu thô xuất khẩu vào thị trường Châu Á – Thái Bình Dương lên 50 triệu tấn/năm để mở rộng thị trường xuất khẩu đối tác truyền thống là Châu Âu

Hệ thống đường ống thứ hai dài 4200 km, bắt đầu từ các mở dầu phía Tây hồ Baikail và chạy đến cảng Kozmino ở Thái Bình Dương, gần với biên giới Đông Bắc Trung Quốc Từ đây dầu của LB Nga được vận chuyển sang thị trường Trung Quốc, Nhật Bản, Mỹ, Hàn Quốc, Philippines, Singapore, Đài Loan

Trong năm 2011 LB Nga đã cùng Triều Tiên và Hàn Quốc đàm phán về việc xây dựng hệ thống đường ống dẫn dầu, khí từ LB Nga qua Triều Tiên đến Hàn Quốc Nếu tuyến đường ống này được hoàn thành, Triều Tiên sẽ có thu nhập đáng kể từ nguồn phí trung chuyển hàng năm mà theo ước tính của tờ Chosun Ilbo có thể vào khoảng 150 triệu USD

Nhật Bản hiện nay có gần 150 nghìn km ống dẫn khí đường kính 600 mm, đã xây dựng xong đường ống dẫn dầu đường kính 1220 mm ở độ sâu 450 m Angiêri có

hệ thống đường ống dẫn dầu nối liền với Italia ở độ sâu 2700 m dưới mặt nước biển

1.5.2 Tại Việt Nam

Ở Việt Nam trong những năm gần đây công nghiệp dầu khí, giao thông đường

bộ đang phát triển mạnh, đặc biệt từ khi nhà máy lọc hóa dầu Dung Quất đi vào sản xuất Điều đó đòi hỏi phải sớm hình thành hệ thống đường ống dẫn dầu khí trong nước

và dẫn tới các cảng biển để tạo điều kiện mở rộng thông thương dầu khí, góp phần đẩy mạnh sự nghiệp Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước

Việc nghiên cứu công nghệ uốn đã được nghiên cứu ứng dụng trong các lĩnh vực như:

- Xây dựng, kiến trúc: thép hình chữ U, C, Z, tấm lợp…

- Giao thông: lan can chắn xô, đóng toa xe, sàn xe…

- Kết cấu chế tạo máy: các thanh dẫn hướng,…

- Dầu khí: đường ống, bồn chứa…

- Các cơ sở chế tạo nghiên cứu: Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh…

- Các tổng công ty: lilama, vinamex, …

- Các tổng công trình giao thông…

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp tính toán và thiết kế các loại máy uốn hình là khá đa dạng và phức tạp: tính toán giải tích, mô phỏng, công thức kinh nghiệm, quy hoạch thực nghiệm,…

Trên thế giới có rất nhiều tác giả đã nghiên cứu về công nghệ uốn hình và các thông số đặc trưng của công nghệ uốn hình: góc uốn, biến mỏng, lực uốn, mômen uốn,…các sai hỏng trong quá trình uốn cũng được xem xét đề cập tới

Bằng các công cụ mô phỏng đã cho phép tính toán kỹ lưỡng, chi tiết hơn so với phương pháp tính toán giải tích trước đây, kết quả nhận được cũng phù hợp với các kết quả thực nghiệm Do đó tiết kiệm thời gian tính toán cũng như tối ưu hóa biên dạng trục uốn, khi uốn các hình có biên dạng phức tạp

Trên hình 1.12 dưới đây là kết quả mô phỏng về công nghệ uốn lốc tạo hình bằng hệ thống trục uốn tròn xoay

Hình 1.6 Sử dụng mô phỏng để tính toán

Trong nước việc ứng dụng các sản phẩm uốn lốc cũng khá phổ biến nhất là trong các ngành xây dựng Các tài liệu trong nước về công nghệ uốn này chưa phổ biến Yêu cầu mới đặt ra là cần phải có phương pháp nghiên cứu tính toán hợp l í cho công nghệ uốn các biên dạng phức tạp để theo kịp sự phát triển của các ngành xây dựng, giao thông…

Kết luận chương 1

Các sản phẩm profile được chế tạo theo công nghệ uốn từ phôi tấm được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực một cách đa dạng: dầu khí, hàng không, giao thông vận tải, quân sự…

Hiện nay trên thế giới việc thiết kế các dạng máy và công nghệ uốn lốc profile vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện với các loại sản phẩm có hình dạng khác nhau phục vụ cho cuộc sống con người

Tại Việt Nam ngành giao thông vận tải trong những năm gần đây đang phát triển mạnh mẽ Hàng loạt các tuyến đường hiện đại được xây dựng, chất lượng cũng như chỉ tiêu an toàn ngày càng được nâng cao Các hệ thống thiết kế đường kiểu cũ đã không thể đáp ứng nổi với chỉ tiêu yêu cầu kỹ thuật, kèm theo nó là các loại thép uốn hình lan can 2 sóng được thay thế bằng loại lan can 3 sóng tiên tiến hơn

Hiện nay tại Việt Nam các tài liệu về tính toán công nghệ, thiết kế máy chế tạo

ra tấm lan can 3 sóng còn đang rất hạn chế Chính vì vậy thông qua luận văn này sẽ

tiếp tục nghiên cứu về công nghệ uốn profile cụ thể là: Nghiên cứu máy và công nghệ

chế tạo tấm lan can chắn xô(hộ lan) dạng ba sóng theo tiêu chuẩn

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ UỐN LỐC PROFILE TỪ

TẤM VÀ BĂNG KIM LOẠI 2.1 Nguyên lý thiết kế biên dạng trục uốn lốc [1]

Đối với các sản phẩm uốn hình khác nhau người ta cũng đã nghiên cứu nhiều phương pháp thiết kế lỗ hình trục uốn Đặc điểm đặc trưng của kết cấu thép hình uốn

là sự tồn tại của các vùng hình dạng thẳng giữa các vùng có bán kính cong (thép hình chữ U, chữ C…) Hiện nay người ta thường sử dụng 3 phương pháp thiết kế trục uốn

Hình 2.1 Các phương pháp thiết kế lỗ hình trục uốn hở

Ở phương pháp 1 và phương pháp 2 phôi được uốn theo đường cong có bán kính không đổi bằng bán kính trong của sản phẩm: 1- từ ngoài vào trong; 2- từ trong ra ngoài Trên hình 2.1-I và hình 2.1-II lộ trình uốn được biểu diễn bằng các số thứ tự trên đầu mép biên phôi: lần 1, 2, 3, …

Khi uốn hình theo phương pháp I đoạn thẳng “k” của phôi trong quá trình uốn cũng được uốn lên cùng với đoạn nằm ngang, sau đó mỗi lần uốn sẽ uốn các đoạn tương ứng với góc uốn trong từng lần đó

Trong hình 2.1 phương pháp I và II chỉ cho ta thấy hướng uốn theo thứ tự các bước Chiều dài đoạn uốn trong các lần uốn trung gian được xác định như sau:

i i

-bán kính đường trung hòa biến dạng;

Chiều dài đoạn uốn còn lại ở các giá uốn sau có giá trị bằng:

i 2 i

Theo phương pháp I (hình 2.1-I) ta thấy rõ, đoạn k giảm dần cùng với sự gia

tăng của góc uốn

Trong lần cuối cùng ki = 0, có nghĩa là toàn bộ đoạn thẳng biến thành cung cong Đoạn ki trong tính toán chiều rộng lỗ hình trục uốn trên và trục uốn dưới cần được bổ sung từ cả 2 phía đến đoạn nằm ngang, đoạn này trong quá trình uốn không thay đổi

Phương pháp 2 (hình 2.1-II) dự tính được đoạn thẳng uốn k trong quá trình uốn hình Góc uốn càng tăng ki càng giảm Đoạn mép biên phôi L1 trong quá trình uốn không thay đổi Đoạn thẳng ki được bổ sung vào đoạn thẳng L1 khi tính toán đoạn nghiêng của lỗ hình trục dưới

Đặc trưng của phương pháp 3 (hình 2.1-III) là bán kính uốn giảm dần đến bán kính uốn trong Đoạn thẳng phôi L2 trong suốt quá trình uốn chuyển thành bán kính cong R4 và kết quả sẽ là tăng dần đoạn uốn đến toàn bộ đoạn L2 (bán kính uốn R1 > R2

> R3 > R4 )

Bán kính uốn trong của lỗ hình ở các lần uốn trung gian Ri được xác định theo công thức:

2 i

L2 = const – tổng chiều dài đoạn uốn trong các lần uốn trung gian;

- hệ số lớp trung hòa uốn;

S – chiều dày phôi ban đầu;

Như hình 2.1, ở các lần uốn I và II phôi được uốn dần với một bán kính không

đổi Việc uốn từng đoạn như vậy tương tự như biến dạng của phân tố kim loại mà ở đó chiều cao (chiều dày hình uốn) lớn hơn chiều rộng (chiều dài đoạn uốn của phôi), ví

dụ, uốn phôi có chiều dày lớn hơn 2 mm bằng bán kính không đổi Trong trường hợp này áp lực riêng và biến dạng tăng dần cho đến khi tiết diện ngang biến dạnđóng toa

xe lửa, các khung kết cấu, các dầm nhà xưởng…

Khi chế tạo trục uốn không đủ độ chính xác sẽ làm xuất hiện vết nhăn (gấp nếp) tại các chỗ uốn sản phẩm - do sự không tương thích giữa hình dạng lỗ hình trục uốn trên và đoạn phôi cần được biến dạng tại lần uốn đó Khi thiết kế lỗ hình theo phương pháp bán kính không đổi nhất thiết phải có từng cặp trục uốn riêng cho mỗi sản phẩm, ngay cả trong trường hợp khi có hình dạng bên ngoài tương tự nhau và chỉ khác về chiều dày sản phẩm

Sự chênh lệch về tốc độ dài của trục uốn khi uốn theo phương pháp II ở các lần uốn cuối tăng, điều đó làm tăng mài mòn trục uốn và gây khó khăn cho việc uốnh uốn sản phẩm ra khỏi trục uốn vì đoạn cuối này cách xa đường uốn

Sự chênh lệch về tốc độ dài của trục uốn khi uốn mép biên phôi theo phương pháp I ở tất cả các lần uốn là nhỏ nhất và các uốnh uốn dễ dàng thoát khỏi lỗ hình uốn

Phổ biến nhất là phương pháp III, vì phương pháp này cho phép uốn hình lần lượt bằng các bán kính khác nhau, có nghĩa là biến dạng đồng thời trên tất cả các đoạn uốn tròn

Phương pháp III cho phép uốn các sản phẩm có chiều dày khác nhau trên cùng một tổ hợp trục uốn Sự khác nhau không đáng kể về bán kính uốn của trục uốn với chiều dài cung tiếp xúc không gây ảnh hưởng xấu tới quá trình uốn Hai giá uốn tinh bảo đảm cho sản phẩm thu nhận được chiều rộng cần thiết với bán kính uốn bằng bán kính danh nghĩa

Phương pháp III được sử dụng khi thiết kế lỗ hình trục uốn sao cho sản phẩm

có phần đáy hình phẳng như hình uốn lòng máng Trên hình 2.2 biểu diễn hình dạng trung gian của sản phẩm lòng máng – các đoạn L2 nằm trên đường nằm ngang dưới và trên biến dạng đồng thời

Hình 2.2 Uốn hình lòng máng

Theo phương pháp 3 có thể uốn thép hình chữ U, hình lòng máng, hình chữ

C, tấm có gân, hình lượn sóng trong ngành đường sắt, một loại sản phẩm uốn khác phục vụ cho ngành nông nghiệp

Việc lựa chọn phương pháp thiết kế phụ thuộc vào khả năng của mỗi loại hình tương ứng với cỡ kích thước của nó, chiều dày ban đầu của phôi…

2.2 Các phương pháp xác định chiều rộng phôi uốn [1]

Việc xác định chiều rộng phôi uốn hình là bài toán khó, bởi vì điều kiện biến dạng tại các vị trí uốn phức tạp Chiều rộng phôi ban đầu thường xác định theo chiều dày lớp trung hòa biến dạng Sự biến mỏng chiều dày sản phẩm tại các đoạn uốn và mức độ biến dạng tiết diện ngang hình uốn có ảnh hưởng nhất định đến kết quả tính toán

Thực tế có tồn tại sự biến mỏng chiều dày và giãn rộng chiều ngang phôi đồng thời trong quá trình uốn

Bán kính lớp trung hòa biến dạng có thể xác định theo công thức:

r S

Trong đó:

r - là bán kính uốn trong;

S - là chiều dày phôi;

- là hệ số lớp trung hòa biến dạng;

Thực tế tồn tại nhiều phương pháp xác định hệ số V.U Đavưdôp mà

M. Maksakôp đề xuất giá trị  sử dụng cho phôi mỏng ( S đến 1.5 mm) phụ thuộc vào đại lượng r:

 - là góc uốn các vùng của hình uốn;

r0i - là các bán kính mặt uốn trong phôi tương ứng với các vùng của hình uốn;

Đối với máy uốn cỡ lớn, các phương pháp tính chiều rộng phôi nêu trên không phù hợp, bởi vì chúng chỉ được sử dụng để uốn các loại hình lớn nằm ngoài kích thước của các máy uốn hình cỡ nhỏ Vì vậy đối với các máy uốn cỡ lớn, có các công thức thực nghiệm để tính chiều rộng phôi cần thiết Hệ số lớp trung hòa biến dạng đối với các máy uốn cỡ lớn, theo quy định nhỏ hơn rất nhiều so với các giá trị nêu trên

Khi tính chiều rộng phôi để uốn các loại thép hình, góc: chữ U, hình lòng máng, hình chữ Z,… thường sử dụng các công thức thực nghiệm Trong số đó công thức của V.G Gerasko được sử dụng rộng rãi hơn cả:

 - là chu vi giả định chưa tính đến chiều dài cung tròn; (ví dụ đối với thép hình uốn

hở trên hình 2.5 thì  gd 2b h ;

q - số lần uốn;

R- bán kính uốn ở giá uốn tính;

- góc uốn tổng của phôi;

k – dung sai dương đối với phôi;

Công thức trên hữu hiệu với góc uốn gần bằng 900;

Để uốn thép hình có biên dạng phức tạp với số vị trí uốn lớn và kết quả tính toán tương đối chuẩn xác, gần thực tế hơn, người ta thường sử dụng công thức của Bogoiaplenski:

K

r / S 0.5 1 0.5

r / SK

Trong đó: Su- chiều dày vùng uốn của hình uốn sau khi uốn;

Hệ số thcó tính tới lượng dư Đối với các đoạn thẳng giữa những vị trí uốn, theo kinh nghiệm của nhà máy Zaporozstal  th 1.005 1.010 Công thức (2.6) cho thấy, để xác định chiều rộng phôi nhất thiết phải biết được chiều dày các vùng uốn hình sau khi uốn, đồng thời chiều rộng ban đầu của phôi phải được biết trước khi thiết

kế lỗ hình uốn

Tuy nhiên nhược điểm của công thức này là kết quả tính thường lớn hơn giá trị thực nhưng vẫn chủa tính đến đặc thù của phương pháp thiết kế, vật liệu phôi … đặc biệt khi uốn hình có biến mỏng thành Sự biến mỏng đó sẽ làm thay đổi chiều dài lớp trung hòa uốn

2.3 Lựa chọn chế độ uốn lốc[1]

Về lý thuyết, uốn hình được nhiều nhà khoa học coi như là một phương pháp biến dạng dẻo, trong đó thông số “số lần biến dạng” (số lần uốn) là quan trọng hơn cả (theo Shunse)

Engengardt xác định số lần uốn trên cơ sở hai điều kiện cơ bản:

Quá trình uốn hình thực chất là quá trình uốn mép biên của phôi và theo đặc tính của mình, không cho phép chia nhỏ biến dạng nhƣ quá trình dập sâu Rõ ràng là,

để uốn hình không nên sử dụng vật liệu dễ bị chảy dẻo ở thời điểm uốn

Nếu vùng kim loại giữa 2 uốnh uốn bị biến dạng thì lƣợng kim loại nằm giữa chúng cần đủ lớn để đảm bảo mức độ biến dạng đã định

Nhƣ vậy các điều kiện nêu trên đã giải thích, tại sao không thể uốn một góc quá lớn trong một lần Biến dạng trong từng lỗ hình trục uốn có giới hạn bởi vì trong từng chi tiết không nên xuất hiện ứng suất gây ra phá hủy kim loại

Hình 2.3 Sự thay đổi hình dạng phôi khi uốn thép hình chữ U

Trên hình 2.3 là sơ đồ sự thay đổi hình dạng phôi tại lần biến dạng đầu tiên Chiều dài đoạn uốn l ( chiều dài vùng biến dạng) bằng khoảng cách giữa 2 cặp trục uốn liền kề, bị biến đổi một lƣợng nhỏ l

Ta xác định đại lƣợng l theo chiều cao uốnh uốn a, chiều dài đoạn uốn l và góc uốn uốnh :

2

a 1 cosl

 

2

2

Ea 1 cosE

200

Các nhà khoa học đã đưa ra một số phương pháp lựa chọn số lần uốn Angel cho rằng quan hệ giữa chiều cao thép hình và khoảng cách giữa các giá uốn có thể tăng lên sau mỗi lần uốn theo tỷ số 1:40 Theo Zacsu tỷ số này là 1:36 Shunse cho rằng các

số liệu này giảm hơn một chút vì trên mép biên phôi có xuất hiện ứng suất không lớn M.A Leitrencô cho rằng góc uốn cho phép khoảng 26 – 330

B.U Đavưđốp và M. Masacốp cũng như Engengardt cho rằng, góc uốn cho phép lớn nhất được xác định bởi giá trị ứng suất kéo xuất hiện trên mép biên phôi Để không xảy ra hiện tượng cong vênh trên mép biên phôi kim loại, ứng suất kéo không được vượt quá giới hạn đàn hồi

.T.Emenianencô và B.Đ Giucốpski đưa ra phương pháp tính các hình dạng trung gian khi uốn ống từ phôi phẳng xuất phát từ điều kiện chiều dài đoạn uốn l bằng khoảng cách giữa hai cặp trục uốn liền kề

Các góc uốn được lựa chọn sao cho mức độ biến dạng cho các lớp phôi mặt ngoài tại vị trí uốn không vượt quá giá trị cho phép và không dẫn đến hiện tượng phá hủy kim loại

K H Bôgoiaplenski và A K Grigoriep đề xuất phương pháp tính chiều dài đoạn uốn l trong mỗi lần uốn trên cơ sở “tích lũy” dẻo của kim loại Việc sử dụng tích lũy dẻo của kim loại có thể cho phép xác định mức độ biến dạng uốn trên các giá uốn Giá trị hệ số tích lũy dẻo q, xác định trong lộ trình uốn không bị phá hủy, theo công thức:

 - mức độ biến dạng của lớp kim loại mặt ngoài phôi;

Hệ số  này được lựa chọn phụ thuộc tùy vào phôi Ví dụ thép 10 đã xử lý nhiệt

sơ bộ có mức độ biến dạng dài tương đối 44% Các thí nghiệm kéo mẫu tại Trường Đại học Bách Khoa Saint Peterburg chỉ ra rằng, ngay khi mức độ giãn dài mép biên phôi  khoảng 22% – 25% đã bắt đầu xuất hiện sự co thắt mẫu kim loại, có nghĩa là, ở mức độ biến dạng như vậy đã có thể tạo vết nứt Chính vì vậy, đối với loại thép 10 hệ

số tích lũy dẻo nhỏ nhất qmin 2

Theo đồ thị hình 2.8 ta có thể các định mức độ giãn dài mép biên phôi  Mức

độ biến dạng của lớp kim loại mặt ngoài phôi được xác định theo công thức:

i ng

i

Rln

Hình 2.4 Giản đồ xác định mức độ giãn dài mép biên phôi

r 1

S e  1

(2.17)Đồ thị giải phương trình này được thể hiện trên hình 2.5

Hình 2.5 Giản đồ xác định r0/S0 theo mức độ biến dạ

Suy ra:

ng

1

2 1

Các bước uốn lựa chọn sao cho đầu phôi ăn vào lỗ hình trong lần uốn đầu tiên phôi có độ cứng thấp Uốn góc hình thành chưa nét nên độ tăng góc uốn không lớn trong khoảng 120 đến 150 Còn trong các lần uốn sau, do điều kiện ăn phôi vào lỗ hình kém và do phôi bị biến cứng trong quá trình uốn nên góc uốn khoảng từ 20 đến 80

2.4 Lựa chọn đường cơ sở và bố trí phôi trên trục uốn[1]

Để phân tích điều kiện ăn phôi vào lỗ hình người ta thường sử dụng phương pháp mặt cắt, bởi vì biên dạng lỗ hình trục uốn không nói lên khái niệm về biến dạng