Nghiên cứu thiết kế công nghệ và thiết bị dập lăn ép điều khiển số để tạo hình profin bậc 2 và bậc 3 của vỏ tầu thủy sử dụng cho các máy thủy lực

Nhan đề : Nghiên cứu thiết kế công nghệ và thiết bị dập lăn ép điều khiển số để tạo hình profin bậc 2 và bậc 3 của vỏ tầu thủy sử dụng cho các máy thủy lực Tác giả : Nguyễn Ngọc Tú Người hướng dẫn: Nguyễn Đắc Trung Từ khoá : Máy thủy lực; Công nghệ lăn ép Năm xuất bản : 2013 Nhà xuất bản : Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tóm tắt : Trình bày tổng quan về công nghệ sản phẩm thiết bị. Tính toán công nghệ lăn ép. Mô phỏng số để xác định các thông số công nghệ. Thiết kế thiết bị. Công nghệ lăn ép tạo hình profin 2D3D.

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUY ỄN NGỌC TÚ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ DẬP LĂN ÉP ĐIỀU KHIỂN SỐ ĐỂ TẠO HÌNH PROFIN BẬC 2 VÀ BẬC 3 CỦA VỎ TẦU THỦY

SỬ DỤNG CHO CÁC MÁY THỦY LỰC

Chuyên ngành: Ch ế tạo máy

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Ngọc Tú, học viên lớp Cao học Công nghệ chế tạo máy – Viện Đào tạo sau đại học – khóa 2010 – Trường Đại học Bách Khóa Hà Nội Sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là

sự giúp đỡ của PGS.TS Nguyễn Đắc Trung, đến nay tôi đã hoàn thiện luận văn tốt

nghiệp với đề tài “nghiên cứu thiết kế công nghệ và thiết bị dập lăn ép điều khiển

số để tạo hình profin bậc 2 và bậc 3 của vỏ tầu thủy sử dụng cho các máy thủy lực”

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Đắc Trung và chỉ tham khảo các tài liệu đã liệt kê Các số liệu trong bản luận văn này là số liệu thực tế, không bịa đặt

Nếu có bất cứ sai phạm nào tôi xin chịu trách nhiệm trước hội đồng tốt nghiệp và nhà trường

Ngày tháng 03 năm 2013 Học viên

Nguyễn Ngọc Tú

ii

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, học tập tại Viện Đào tạo sau đại học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tác giả luận văn xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS

Nguyễn Đắc Trung – người đưa ra ý tưởng, định hướng các phương pháp nghiên

cứu của đề tài cũng như sự chỉ bảo tận tình và trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện

luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội cùng Quý thầy cô Viện Đào tạo sau đại học đã tạo rất nhiều điều kiện để tôi hoàn thành tốt khóa học

Ngày tháng 03 năm 2013

Học viên

Nguyễn Ngọc Tú

iii

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU Vii DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Viii LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN PHẨM THIẾT BỊ 3

1.1 Giới thiệu về một số ngành công nghiệp nặng và công nghiệp phụ trợ 3

1.2 Vai trò các chi tiết dạng tấm cong 3D cỡ lớn trong công nghiệp đóng tầu 6

1.3 Các phương pháp tạo hình tấm cong 3D có kích thước lớn 7

1.3.1 Uốn bằng khuôn 8

1.3.2 Tạo hình dựa trên biến dạng nhiệt 10

1.3.3 Uốn lốc trên máy 3 trục,4 trục 12

1.3.4 Lăn miết trên máy chuyên dụng 13

1.3.5 Lăn ép 14

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ LĂN ÉP 19

2.1 Công nghệ lăn ép 19

2.2 Các thông số công nghệ trong quá trình uốn kim loại 22

2.2.1 Khái niệm uốn, đặc điểm công nghệ và lý luận về uốn 22

2.2.2 Lớp trung hòa biến dạng và cách xác định 26

2.2.3 Bán kính uốn cho phép 29

2.2.4 Xác định lực uốn 32

2.3 Các thông số công nghệ trong quá trình cán kim loại 35

iv

2.3.1 Vùng biến dạng 35

2.3.2 Các thông số đặc trưng cho vùng biến dạng 36

2.3.3 Quan hệ giữa cỏc thụng số trong vựng biến dạng 37

2.3.4 Điều kiện vật cỏn ăn vào trục cỏn 37

2.3.5 Lực cán 40

2.4 Nghiờn cứu phương phỏp xỏc định thụng số cụng nghệ quỏ trỡnh lăn ộp dựa trờn tớnh toỏn giải tớch 41

CHƯƠNG III: Mễ PHỎNG SỐ ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC THễNG SỐ CễNG NGHỆ 45

3.1 Giới thiệu về phương phỏp mụ phỏng số 45

3.1.1 Mụ phỏng vật lý 45

3.1.2 Mụ phỏng số và “cụng nghệ ảo” 45

3.2 Vai trũ và ưu điểm của mụ phỏng số trong thiết kế và tối ưu cụng nghệ 46

3.3 Ứng dụng mụ phỏng số vào cỏc bài toỏn phi tuyến 48

3.3.1 Quỏ trỡnh mụ phỏng 48

3.3.2 Hiện trạng của việc ỏp dụng mụ phỏng số trong thiết kế tối ưu cụng nghệ tạo hỡnh 49

3.4 Giới thiệu về phần mềm mụ phỏng số DEFORM 50

3.4.1 Cỏc sảm phẩm của hệ thống DEFORM 52

3.5.Ứng dụng phần mềm mụ phỏng số DEFORM để tớnh toỏn 53

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ THIẾT BỊ 64

4.1 Tổng quan về thiết bị lăn ộp thủy lực 64

4.1.1 Vài nột sơ lược về thiết bị gia cụng ỏp lực 65

4.1.2 Vai trũ của mỏy ộp thủy lực 66

4.1.3 Phõn loại mỏy ộp thủy lực 67

v

4.1.4 Nguyên lý hoạt động của máy ép thủy lực 67

4.1.5 Máy ép thủy lực 200T kiểu 4 trụ 69

4.2 Tính toán thiết kế thiết bị lăn ép thủy lực 72

4.2.1 Thiết kế sơ đồ động của thiết bị 72

4.2.2 Các cụm chi tiết chính của thiết bị 75

4.2.2.1 Cụm con lăn chủ động và con lăn bị động 76

4.2.2.1.1 Con lăn bị động( con lăn trên) 76

4.2.2.1.2 Con lăn chủ động( con lăn dưới) 82

4.2.2.2 Tính chọn động cơ điện và hộp giảm tốc 87

4.2.2.3 Tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng 89

4.2.2.4 Tính toán lựa chọn ổ bi đỡ chặn 94

4.2.2.5 Tính toán thiết kế phần khung thân 96

4.2.2.5.1 Kết cấu khung thân phần con lăn bị động 96

4.2.2.5.2 Kết cấu khung thân phần con lăn chủ động 99

4.2.2.6 Điều khiển số thiết bị lăn ép 103

4.2.2.7 Một số hình ảnh về thiết bị lăn ép đã được chế tạo 106

CHƯƠNG V: CÔNG NGHỆ LĂN ÉP TẠO HÌNH PROFIN 2D & 3D 112

5.1 Lăn ép tạo hình profin 2D 112

5.2 Lăn ép tạo hình profin 3D 116

KẾT LUẬN 121

TÀI LIỆU THAM KHẢO 122

PHỤ LỤC CÁC BẢN VẼ THIẾT KẾ 124

vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.2 Hình ảnh trong nhà máy đóng tầu vinashin tại Hải Phòng 6 Hình 1.3 Hình ảnh các biên dạng cong 3D trong cấu tạo vỏ tầu thủy 7

Hình 1.5 Một số hình ảnh uốn phôi tấm trên máy ép thủy lực 9 Hình 1.6 Kết cấu hàn trong cấu tạo thân vỏ tầu 10 Hình 1.7 Một số hình ảnh chế tạo tấm cong bằng phương pháp gia nhiệt 11 Hình 1.8 Một số hình ảnh uốn phôi thép tấm trên máy uốn lốc 3 trục 12 Hình 1.9 Một số hình ảnh về máy miết & sản phẩm được tạo hình 13 Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý lăn ép bằng con lăn 14

Hình 1.11 Một số hình ảnh về thiết bị lăn ép & sản phẩm được tạo hình

Hình 2.1 Một số chi tiết của vỏ tàu thủy có biên dạng cong 2D &3D 19

Hình 2.4 Mô tả ví dụ về độ giảm mỏng đối với vật liệu chịu uốn 24

Hình 2.6 Bán kính cong của lớp trung hòa biến dạng 26 Hình 2.7 Tiết diện ngang của phôi bị thay đổi khi uốn phôi tròn 28

viii

Hình 3.2 Quá trình tối ưu hóa công nghệ nhờ mô phỏng số 47

Hình 3.4 Mô hình hình học bài toán dập lăn ép 53

Hình 3.7 Phôi thép tấm có kích thước 450x250x10 55 Hình 3.8 Chia lưới phần tử cho phôi thép tấm 55 Hình 3.9 Chia lưới phần tử cho con lăn trên 56 Hình 3.10 Chia lưới phần tử cho con lăn dưới 56 Hình 3.11 Chia lưới con lăn trên ,con lăn dưới, phôi 57 Hình 3.12 Các thông số về cơ tính vật liệu 57 Hình 3.13 Ứng suất tương đương của vật liệu 59 Hình 3.14 Đồ thị lực ép của con lăn trên 60 Hình 3.15 Phân bố biến dạng trên phôi tấm 61

Hình 3.16: So sánh kết quả tính toán Lực ép-Lượng ép bằng phương

Hình 3.17 So sánh kết quả tính toán Lực ép-Bán kính của tấm bằng

phương pháp giải tích và mô phỏng số 62 Hình 4.1 Một số hình ảnh về thiết bị lăn ép của nước ngoài 64 Hình 4.2 Một số hình ảnh lắp đặt thiết bị lăn ép trên máy ép thủy lực 65

Hình 4.4 Hình ảnh bàn máy của máy ép thủy lực 500T 68

Hình 4.11 Lực phân bố trên đường sinh của con lăn 77

Hình 4.16 Lực phân bố trên đường sinh của con lăn 83

x

Hình 4.29 Kết cấu khung thân chứa con lăn chủ động

100 Hình 4.30 Mô hình 3D phần lắp đặt con lăn bị động

101 Hình 4.31 Mô hình 3D phần khung thân lắp đặt con lăn bị động 101

Hình 4.35 Hình ảnh bộ điều khiển số của thiết bị lăn ép 106 Hình 4.36 Một số hình ảnh gia công chế tạo con lăn trên và con lăn dưới 107 Hình 4.37 Một số hình ảnh gia công chế tạo gối đỡ con lăn và khung, đế 108 Hình 4.38 Một số hình ảnh lắp đặt và ăn khớp của cặp bánh răng

n

109 Hình 4.39 Hình ảnh lắp đặt bộ lăn ép trên bàn máy ép thủy lực 110 Hình 4.40 Hình ảnh lắp đặt bộ lăn ép trên đầu trượt máy ép thủy lực

Hình 5.7 Phôi tấm phẳng trước khi lăn ép biên dạng cong 3D 117 Hình 5.8 Hình ảnh sản phẩm ở bước lăn tạo biên dạng cong 2D 118 Hình 5.9 Hình ảnh sản phẩm ở bước lăn tạo biên dạng cong 3D 119

- 1 -

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay trên thế giới sự phát triển của công nghệ thông tin, tri thức diễn ra với tốc độ rất nhanh, điều này đã đem đến thành tựu to lớn cho nhiều quốc gia khi vận dụng vào sản xuất, đưa họ trở thành nhiều cường quốc phát triển trên thế giới

Đối với mỗi quốc gia nghiệp hóa và hiện đại hóa là điều cần thiết phải 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 có thể đưa nền sản xuất trở thành sản xuất lớn, xây dựng thành công Chủ nghĩa xà hội càng trở lên cấp thiết Do đó tiến lên công nghiệp hóa-hiện đại hóa là nhiệm vụ ưu tiên hàng đầu của Đảng và nhà nước ta trong giai đoạn hiện nay

Trong những thập niên gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật trong tất cả các lĩnh vực, sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước thúc đẩy tất cả các ngành công nghiệp phát triển Các ngành công nghiệp nước nhà ngày càng được trang bị kiến thức chuyên 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 chúng ta hoàn toàn phải tự nhập của nước ngoài

Ngành đóng tầu của nước ta cũng nằm trong số đó Hiện tại, ngành đóng tầu đang 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 đang ngày càng gia tăng tại các doanh nghiệp đóng tàu Với trình độ công nghệ hiện tại của các doanh nghiệp trong nước, để chế tạo các tấm có biên dạng cong như vậy, chủ yếu là cắt, gò, hàn, tạo hình thủ công hoặc trên các thiết bị vạn năng thì khó có khả năng đáp ứng được năng suất cũng như chất lượng của sản phẩm Vì vậy, những chi phí cho việc chế tạo vỏ tàu thường rất lớn, gây lãng phí nhưng vẫn không đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật

- 2 -

Để góp phần vào sự phát triển chuyên ngành Gia Công Áp Lực và nâng cao

tỷ lệ nội địa hóa các sản phẩm cơ khí phục vụ cho các ngành công nghiệp trong nước, nhất là ngành công nghiệp đóng tầu; tôi đã thực hiện đề tài ”nghiên cứu thiết

kế công nghệ và thiết bị dập lăn ép điều khiển số để tạo hình profin bậc 2 và bậc 3 của vỏ tầu thủy sử dụng cho các máy thủy lực” do thầy giáo PGS.TS.Nguyễn Đắc Trung hướng dẫn

Trong quá trình nghiên cứu, thực hiện đề tài tôi xin cảm ơn các thầy giáo công tác tại bộ môn Gia công áp lực-Viện cơ khí Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này

* Ngành khai thác than

- Khai thác than là bộ phận chủ yếu của ngành công nghiệp than Nó bao gồm tất cả các hoạt động nhằm mục đích lấy được than nằm trong lòng đất để phục vụ con người Than có nhiều loại: than đá, than nâu, than bùn, than mỡ.v.v hầu hết đều nằm sâu trong lòng đất

- Các xí nghiệp khai thác lớn nhất tập trung ở vùng than Quảng Ninh Tổng công suất thiết kế nguyên khai các mỏ ở Quảng ninh là 8,9 triệu tấn mỗi năm và 60 % khối lượng sản xuất là từ các mỏ than lộ thiên Do số lao động ngành than là rất lớn nên sức ép về lao động khá căng thẳng Vì thế để tồn tại và phát triển, Tổng công ty than Việt Nam đã đầu tư thiết bị, đổi mới công nghệ (thực hiện công nghệ tách bóc, sàng tuyển than ngay trong quá trình khai thác và vận chuyển, dùng vì kèo ma sát thay thế gỗ trụ mỏ) để tạo một dây chuyền khép kín từ khâu sản xuất đến nơi tiêu thụ

* Ngành công nghiệp sản xuất thép

-Ngành công nghiệp sản xuất thép là một trong những ngành quan trọng nhất Sản lượng thép và sự phát triển của ngành luyện thép không chỉ là một trong các chỉ tiêu phản ánh trình độ phát triển công nghiệp, mà còn là một trong những yếu tố

* Ngành công nghiệp vật liệu xây dựng

- Trong ngành vật liệu xây dựng thì xi măng chiếm một vị trí quan trọng Nước ta

có những nhà máy xi măng lớn như: Hải phòng, Hoàng thạch, Hà tiên, Kiên giang

và một số nhà máy liên doanh đang đưa vào hoạt động Toàn bộ công suất của các nhà máy này đủ khả năng cung ứng cho thị trường trong nước và đã xuất khẩu khoảng 200.000 tấn/ năm

- Vốn đầu tư cho một dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng thường rất lớn (khoảng 200 USD cho một tấn công suất thiết kế), nên việc thu hồi vốn phải tiến hành kéo dài hàng chục năm, việc xuất khẩu khó vì phí vận chuyển và bảo quản tốn kém Nên việc qui hoạch công nghiệp xi măng cần hướng mạnh vào các loại xi măng đặc chủng, xi măng cao cấp mà các nước trong khu vực chưa có điều kiện đẩy mạnh sản xuất

* Ngành công nghiệp đóng tàu

-Những năm qua, ngành công nghiệp tàu thủy của nước ta có bước phát triển nhanh, nhưng hiệu quả còn hạn chế và chưa vững chắc Trước vận hội mới để nâng cao hiệu quả và sức cạnh tranh, vấn đề đặt ra cho công nghiệp tàu thủy trong những năm tới là phải tập trung phát triển công nghiệp phụ trợ

- 5 -

Hình 1.1: Hình ảnh tại một xưởng đóng tầu -Ðến nay, ngành công nghiệp tàu thủy nước ta đã đóng và xuất khẩu các loại tàu có sức chở đến 53 nghìn tấn, cho các chủ tàu Anh, Nhật Bản, Hàn Quốc, Ðức, Ðan Mạch, Nga Từng bước đầu tư nâng cao năng lực đóng và sửa chữa các loại tàu có tính năng phức tạp như: tàu chở container 1.700 TEU (tương đương sức chở 22 nghìn tấn), tàu chở dầu 13.500 tấn, tàu hút bùn 1.500 m3/giờ, tàu cao tốc, tàu kéo 6.000 sức ngựa và đang triển khai đóng các loại tàu có sức chở hơn 100 nghìn tấn

-Tuy nhiên, theo đánh giá của một số chuyên gia, công nghiệp đóng tàu Việt Nam hiện chủ yếu vẫn là lắp ráp Hợp đồng đóng tàu mới dừng lại ở trình độ làm gia công theo thiết kế các loại, mẫu mã, vật tư, nguyên liệu, động cơ, cũng như giám sát, đăng kiểm đều của nước ngoài

- 6 -

Hình 1.2: Hình ảnh trong nhà máy đóng tầu Vinashin tại Hải Phòng

1.2 Vai trò các chi tiết dạng tấm cong 3D cỡ lớn trong công nghiệp đóng tầu

Ở nước ta ngành công nghiệp đóng tàu đang được quan tâm phát triển Theo giới chuyên môn, vỏ tàu và máy tàu là hai yếu tố quan trọng nhất, chiếm tỷ trọng lớn nhất về giá trị con tàu cho nên công nghiệp phụ trợ trước hết cần tập trung đầu

tư vào hai khâu sản xuất quan trọng này để tạo ra sự đột phá

Trong cấu tạo của thân vỏ tầu; không thể thiếu được các tấm, vỏ có biên dạng cong 3D Các biên dạng cong 3D này đóng vai trò rất quan trọng trong chuyển động của tàu trong môi trường nước

Các chi tiết vỏ tàu thường có kích thước lớn hình dạng phức tạp đòi hỏi độ

chính xác cao về hình dáng, kích thước, được chế tạo từ tấm lớn ngày càng xuất hiện nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp nặng Đặc biệt trong ngành công nghiệp đóng tàu với những đặc thù riêng đó là kích thước và khối lượng các chi tiết thường rất lớn, chúng được chế tạo và lắp ráp ngay tại công trường Hiện nay, trên thế giới cũng như ở Việt nam, trong sản xuất công nghiệp, để chế tạo các chi tiết có biên dạng phức tạp vẫn thường sử dụng các phương pháp truyền thống như tạo hình uốn

- 7 -

bằng khuôn, gia nhiệt, tạo hình cục bộ trên khuôn có gia nhiệt cho tấm, uốn lốc ngang trên các thiết bị 3 trục, 4 trục, lăn ép,

Hình 1.3: Hình ảnh các biên dạng cong 3D trong cấu tạo vỏ tầu thủy

1.3 Các phương pháp tạo hình tấm cong 3D có kích thước lớn

Hiện nay có rất nhiều phương pháp chế tạo các tấm cong 3D có kích thước lớn như uốn bằng khuôn, uốn trên máy lốc nhiều trục,

-Sản phẩm uốn rất 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

- Phải kết hợp với các phương pháp khác như cắt rời, cắt hình, …

- Sản phẩm có độ chính xác không cao

- 10 -

1.3.2 Tạo hình dựa trên biến dạng nhiệt

- Hiện nay các bộ phận của thân, vỏ tầu thường được ghép nối từ các tấm thép theo phương pháp hàn truyền thống

Hình 1.6: Kết cấu hàn trong cấu tạo thân vỏ tầu

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

-Biến dạng xảy ra do sự co ngót không đều của mối hàn và kim loại cơ bản trong chu kỳ nung nóng và làm nguội trong khi hàn gia nhiệt và sau khi hàn gia nhiệt Ứng suất hình thành ở mối hàn là kết quả của những thay đổi về thể tích, đặc biệt là nếu mối hàn bị hạn chế bởi các kết cấu kẹp hoặc các vật liệu khác xung quanh Nếu những hạn chế bị loại bỏ phần nào, ứng suất có thể gây biến dạng vật liệu và thậm chí có thể gây xé rách hoặc đứt gãy

-Có nhiều yếu tố gây nên biến dạng hàn hoặc cắt và rất khó dự báo chính xác mức

độ biến dạng có thể xảy ra Một số yếu tố cần được xem xét bao gồm mức độ hạn chế, đặc tính nhiệt và các đặc tính khác của vật liệu gốc; ứng suất nội tại được sinh

ra từ quá trình gia công kim loại trước đó như cán, tạo hình và uốn; kiểu mối hàn;

- 11 -

độ chính xác gia công và bản chất của quá trình hàn loại quy trình, tính đói xứng của mối nối, gia nhiệt trước và trình tự mối hàn yêu cầu

-Trong nhiều trường hợp biến dạng khi gia nhiệt là điều không hề mong muốn, nó

có thể làm phát sinh chi phí để sửa chữa Tuy nhiên trong trường hợp này các biến dạng trong quá trình gia nhiệt lại là cơ sở quan trọng để chúng ta có thể chế tạo các tấm cong lớn từ phôi thép tấm phẳng

Hình 1.7: Một số hình ảnh chế tạo tấm cong từ phôi thép phẳng

bằng phương pháp gia nhiệt

- 12 -

*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 dẫn đến năng suất chế tạo thấp

1.3.3 Uốn lốc trên máy 3 trục,4 trục

-Khi muốn chế tạo các chi tiết cong 2D ta có thể sử dụng các máy uốn 2 trục, 3 trục, 4 trục, Phôi thép được cuốn vào các trục con lăn và bị uốn cong bởi chuyển động của các con lăn theo nguyên lý uốn

Hình 1.8: Một số hình ảnh uốn phôi thép tấm trên máy uốn lốc 3 trục

- Thường chỉ chế tạo được cỏc sản phẩm cú biờn dạng cong 2D

1.3.4 Lăn miết trờn mỏy chuyờn dụng

-Miết là một ph-ơng 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 d-ới tác

dụng của lực công tác làm biến dạng dẻo cục bộ tại một điểm trên phôi quay

Hỡnh 1.9: Một số hỡnh ảnh về mỏy miết & sản phẩm được tạo hỡnh

bằng phương phỏp miết

- 14 -

*Ưu điểm:

- Sản phẩm có chất lượng và 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, vonfam

hiện như hình dưới đây

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý lăn ép bằng con lăn

- 15 -

Hình 1.11: Một số hình ảnh về thiết bị lăn ép & sản phẩm được tạo hình

bằng phương pháp lăn ép

- Công nghệ lăn ép ở nước ngoài:

Hiện nay, Các profile có biên dạng cong bậc 2 và bậc 3 (hình 1.11) được gia công chế tạo bằng các thiết bị chuyên dùng với các dụng cụ linh hoạt, của các hãng Các hãng Sertom (ý), Sicmi (Ý)

- 16 -

Các thiết bị uốn tấm vỏ được nghiên cứu thiết kế đầu tiên là các loại máy chấn với kết cấu đơn giản, tiếp theo là chế tạo các máy uốn có kích thước vùng làm việc lớn và dụng cụ gia công linh hoạt

Các thiết bị chuyên dùng và dụng cụ tạo hình đã và đang được nhập về Việt Nam nhằm phát triển và nâng cao khả năng chuyên môn hóa và năng lực chế tạo, tuy nhiên các thiết bị này thường đắt và bị động trong các khâu nhập khẩu Chính và thế, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các thiết bị này trong nước và ứng dụng vào các nhà máy đóng tàu là hết sức cần thiết

- Công nghệ lăn ép ở trong nước :

Ngành công nghiệp đóng tàu của Việt Nam được coi là trong những hướng mũi nhọn và đầu tư trang thiết bị đã được quan tâm chú trọng và đúng mức Tuy nhiên với đặc điểm máy siêu trường siêu trọng nên các máy gia công cho tấm vỏ vẫn chủ yếu được nhập về từ nước ngoài Vấn đề mấu chốt ở đây là các thiết bị gia công linh hoạt đi kèm theo máy có giá rất đắt nên khi nhập máy chúng ta chỉ nhập

về một vài dụng cụ gia công đơn giản và rẻ tiền, còn những thiết bị công nghệ cao

ta vẫn hạn chế nhập bởi có giá thành cao Hiện nay, trong thực tế ngành đóng tàu ở Việt nam thường sử dụng các phương pháp tạo hình các chi tiết có profile phức tạp như sau :

+ Phương pháp tách các tấm lớn có hình dạng profile theo đường cong bậc 2

và bậc 3 thành các tấm có các hình dạng đơn giản hơn sau đó tổ hợp hàn thành các tấm lớn, tuy nhiên phương pháp này cho năng suất thấp, chất lượng không ổn định

do mọi thao tác đều được thực hiện bằng tay cùng với các nối hàn không đảm bảo

độ bền cơ học của các tấm, các biên dạng bị gãy khúc không đồng đều biên dạng

Do vậy phương pháp này chủ yếu chỉ sử dụng trong sửa chữa và chế tạo các loại vỏ tàu cỡ nhỏ

- 17 -

+ Phương pháp uốn bằng nhiệt các tấm lớn nhờ sự biến dạng nhiệt của kim loại : Phương pháp này đảm bảo độ cong đồng đều của tấm nhưng mức độ biến dạng vật liệu không lớn, độ chính xác của tấm phụ thuộc rất lớn vào năng lực và tay nghề của người công nhân, điều kiện lao động vẫn chưa được cải thiện về bản chất, đồng thời dưới tác dụng của nhiệt độ cũng gây ảnh hưởng đến cơ tính của vật liệu làm vỏ tàu Hiện nay ngành đóng tàu ở nước ta sử dụng chủ yếu phương pháp này

do chưa có các thiết bị hiện đại hơn để thực hiện tự động hoàn toàn quá trình biến dạng các tấm kim loại

+ Gia công các tấm kim loại cỡ lớn nhờ các dụng cụ tạo hình chuyên dụng trên các máy ép thủy lực cỡ lớn : Phương pháp này khắc phục được các nhược điểm của hai phương pháp trên nhưng việc sử dụng máy ép thủy lực cỡ lớn với chi phí đầu tư trang thiết bị rất lớn : Hiện nay có các công ty đóng tàu như : Nhà máy đóng tàu Hồng Hà (Bộ Quốc Phòng), Nhà máy đóng tàu Phà Rừng (Hải Phòng), Nhà máy đóng tàu Nam Triệu (Hải Phòng), Nhà máy đóng tàu 179 (Bộ Quốc Phòng)

đã trang bị những máy ép thủy lực cỡ lớn, tuy nhiên các dụng cụ tạo hình chuyên dụng vẫn chỉ là các dụng cụ đơn giản như uốn, chấn để gia công cục bộ các tấm mà chưa tiến tới gia công các chi tiết có các bản rộng và đường cong liên tục

*Ưu điểm

-Phương pháp này cho năng suất cao

-Sản phẩm có chất lượng và độ chính xác cao

-Sản phẩm có hình dạng đa dạng, có thể có biên dạng cong 2D hoặc 3D

- Các sản phẩm được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp đóng tầu

*Nhược điểm

-Sản phẩm có hiện tượng biến mỏng, dẫn đến thay đổi cơ tính của vật liệu, cần phải hạn chế và khắc phục biến mỏng trong quá trình sản xuất

- 18 -

*Nhận xét

- Ta thấy hiện nay có rất nhiều phương pháp chế tạo các tấm cong 3D có kích thước lơn, mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng Tuy nhiên phương pháp lăn ép có nhiều ưu điểm, cho sản phẩm có chất lượng và độ chính xác cao và

có khả năng đa dạng hóa sản phẩm rất cao Hiện tại, ở các nước như Nhật Bản, Đức, Italia, Trung Quốc, phương pháp lăn ép đã được ứng dụng để chế tạo các tấm cong biên dạng 3D phục vụ cho các ngành công nghiệp lớn trong đó có ngành đóng tầu biển Vì vậy, tôi cùng với bộ môn Gia công áp lực, trường ĐHBK Hà Nội

đã nghiên cứu và đề xuất công nghệ lăn ép để chế tạo các tấm cong có biên dạng 3D được sử dụng rất nhiều trong ngành công nghiệp đóng tầu Để hoàn thành được

đề tài nghiên cứu này, chúng tôi đã thực hiện các công việc như sau:

- Nghiên cứu và tính toán công nghệ bằng phương pháp giải tích và phương pháp

mô phỏng

- Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo thiết bị

- Thử nghiệm công nghệ và thiết bị

- 19 -

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ LĂN ÉP 2.1 Công nghệ lăn ép

Công nghệ lăn ép cho phép tạp hình các sản phẩm dạng vỏ từ phôi tấm, sản phẩm

có biên dạng cong hở 2D hoặc 3D Các dạng sản phẩm lăn ép được ứng dụng rất

phổ biến trong ngành đóng tàu, vỏ két chứa, bình bồn cỡ lớn Hình dưới đây biểu

diễn các dạng chi tiết điển hình của vỏ tàu thủy có biên dạng cong 3D được tạo

hình bằng phương pháp lăn ép

Hình 2.1: Một số chi tiết của vỏ tàu thủy có biên dạng cong 2D &3D

- 20 -

Sơ đồ tạo hình bằng quá trình lăn được biểu diễn như hình dưới đây

Hình 2.2: Sơ đồ quá trình lăn ép Con lăn dưới được lắp cố định trên bàn máy ép thủy lực, được truyền chuyển động và mô men bởi một động cơ riêng, trong khi đó, con lăn trên có thể quay tự do quanh trục của nó và được lắp với đầu trượt của máy Phôi ban đầu được kẹp giữa hai trục lăn, phôi tấm tiếp xúc với con lăn trên và con lăn dưới tại vị trí cần tạo biên dạng cong Con lăn trên di chuyển cùng với đầu trượt theo phương thẳng đứng sẽ

ép vào phôi tấm một lực P Khi đó, phôi tiếp xúc với con lăn trên theo cung lt và con lăn dưới theo cung ld Với việc phôi bị ép giữa 2 con lăn sẽ làm phôi bị uốn cong Con lăn dưới chuyển động quay sẽ làm cho phôi được kéo qua khe hở giữa 2 trục lăn, phôi sẽ biến dạng cục bộ và bị uốn cong dần lên Nếu con lăn dưới đảo chiều quay và ta di chuyển vùng tiếp xúc liên tục từ vị trí này sang vị trí khác, phôi tấm sẽ cong theo biên dạng mà ta định trước Khi điều khiển quá trình tạo hình, ta cần xác định được bán kính cong của phôi tấm sau mỗi lần lăn ép là R Bán kính

- 21 -

cong của sản phẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Lực ép, mức độ biến dạng, tốc

độ lăn, bước di chuyển phôi, hình dạng, kích thước của con lăn và 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 giưa 2 trục lăn làm cho phôi bị uốn cong

- Khi hết một lần lăn ép, có thể đặt lại giá trị lực ép và thực hiện lần lăn ép thứ 2

- 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 kich thước thiết kế

- Để tạo hình được các chi tiết dạng 3D, ta cần phải thực hiện lăn ép trên phôi tấm theo nhiều phương Nếu chỉ lăn ép theo 1 phương, phôi tấm sẽ chỉ bị cong theo biên dạng 2D

Cần chú ý rằng, tạo hình bằng phương pháp lăn ép phôi tấm bị biến mỏng qua mỗilần 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 tính toán được các thông số công nghệ cơ bản

Khi phân tích sự biến dạng của kim loại trong quá trình lăn ép, ta thấy kim loại bị biến dạng do tổng hợp của 2 quá trình uốn và cán Do đó, để có thể tính toán được các thông số công nghệ của quá trình lăn ép ta cần nghiên cứu về quá trình

uốn và cán kim loại

- 22 -

2.2 Các thông số công nghệ trong quá trình uốn kim loại

2.2.1 Khái niệm, đặc điểm công nghệ và lý luận về uốn

- Uốn qua hệ thống trục có thể cho sản phẩm có chiều dài lớn

* Lý luận cơ bản về uốn

Khi nghiên cứu kỹ một sản phẩm uốn ta thấy những vấn đề sau:

- Khi uốn cong mặt trong của nguyên vật liệu (mặt tiếp xúc với chày ) thì bị tác

dụng nén lại; còn mặt ngoài (mặt tiếp xúc với cối) thì bị kéo dài

- 23 -

x0

§ uêng trung tÝnh

r

A

t

ao

Hình 2.3: Mô tả một trường hợp uốn

- Ở giữa mặt ngoài và mặt trong của vật liệu có một lớp trung gian không bị kéo và

bị nén, ta gọi là lớp trung hòa biến dạng

- Nếu trên cạnh vật liệu: trước khi uốn ta kẻ những ô vuông ở phần thẳng không thay đổi còn những ô vuông ở phần uốn cong thì bị biến dạng thành hình thang Các vạch ngang tính từ tâm ra thì vạch ở ngoài cũng dài ra rất nhiều ; vạch trong cũng ngắn lại nhiều chỉ có đường OO’ là không thay đổi mà ta gọi là lớp trung gian

+ Trong quá trình uốn đặc biệt là đối với tấm vật liệu hơi dày, chiều rộng mép ngoài sẽ giảm đi, còn mép trong chiều rộng sẽ tăng lên Khi tấm vật liệu tương đối lớn (lớn hơn chiều dày từ 20  30 lần ) thì hiện tượng này chỉ trông thấy ở mép tấm vật liệu

+ Chiều dày vật liệu chỗ uốn sẽ giảm

- 24 -

Hình 2.4: Mô tả ví dụ về độ giảm mỏng đối với vật liệu chịu uốn

t1 : là chiều dày nguyên vật liệu sau khi uốn

t : là chiều dày nguyên vật liệu trước khi uốn

Ví dụ về độ giảm mỏng có thể xem bảng sau:

Bảng 2.1: Độ giảm mỏng một số vật liệu theo bán kính cong (tra sổ tay)

0,80 0,85 0,90 0,95 1,00

0,5 1,0 1,5 2,0 2.5 3,0 3,5 4,0 mm

ChiÒu dÇy nguyªn vËt liÖu

- 25 -

* Quá trình uốn:

Hình 2.5: Một số dạng uốn chữ V Thí dụ: xét quá trình uốn hình chữ V, ta thấy:

- Bán kính uốn của vật uốn thay đổi giảm dần, cự ly của điểm tựa uốn cong lo, l1, l2

giảm, dần dần khít vào nhau

- Trong quá trình uốn: bán nhỏ dần cho đến lk Chày đi xuống đến khi tấm nguyên liệu và chày hoàn toàn khít vào khuôn, bán kính của mặt trong vật liệu lớn hơn bán kính của chày

- Vì mặt ngoài vật uốn bị kéo dài rất lớn, nên góc nhọn của chày phải thẳng góc với hướng sắp xếp của thớ thép cán ( hoặc gần bằng 90o) nếu không sẽ làm cho vật liệu nứt rạn

- Nếu sản phẩm uốn về hai hướng, lực uốn phải làm cho thớ vật liệu uốn thành góc

45o

l o

l 2

l k

- 26 -

2.2.2 Lớp trung hòa biến dạng

Tại vùng uốn có những lớp kim loại bị nén và co ngắn đồng thời có những lớp bị kéo và dãn dài theo hướng dọc vì vậy giữa các lớp đó thể nào cũng tồn tại một lớp có chiều dài bằng chiều dài ban đầu của phôi Lớp này người ta gọi là lớp trung hòa biến dạng Lớp trung hòa biến dạng là cơ sở tốt nhất để xác định kích thước của phôi uốn và xác định bán kính nhỏ nhất cho phép

bd = r + ( 2.1) r: Bán kính uốn, t: Chiều dày vật liệu

Khi uốn với mức độ biến dạng lớn (góc uốn và bán kính uốn nhỏ) tiết diện ngang của phôi bị thay đổi nhiều Chiều dày vật liệu giảm Khi đó lớp trung hòa biến dạng không đi qua giữa tiết diện phôi mà dịch chuyền về phía tâm cong, ở đây bán kính cong của lớp trung hòa biến dạng được xác định theo công thức:

bd = ( ).ξ.t ( 2.2) Trong đó: ξ = : hệ số giảm chiều dài

- 27 -

t1 :chiều dày trước khi uốn

t2 :chiều dày sau khi uốn

r : bán kính uốn

b: Chiều rộng ban đầu của dải

btb: Chiều rộng trung bình sau khi uốn

btb = (b1 + b2)

b1, b2 : Chiều rộng ở phía trên và phía dưới của dải sau khi uốn

Khi chiều rộng của phôi lớn thì tỷ số Lúc đó:

bd = ( ).ξ.t ( 2.3) Trong thực tế sản xuất, để đơn giản cho quá trình tính toán, bán kính cong của lớp trung hòa được xác định:

bd = r + X0.t ( 2.4) Trong đó:

X0.t = ( 2.5)

Hệ số X0 được đo bằng thực nghiệm và cho sẵn trong sổ tay Hệ số này phụ thuộc chủ yếu vào tỷ số r/t, góc uốn α và loại vật liệu

X0.t: là khoảng cách từ lớp trung hòa biến dạng đến mặt trong của phôi

- Khi uốn những phôi có tiết diện hình tròn, hình thang, hình thoi v.v… thì đặc tính biến dạng của tiết diện ngang cũng sẽ khác đi Và do đó các hệ số ξ và X0 cũng sẽ thay đổi

bd = r + ( 2.6) Nếu uốn với bán kính nhỏ r <1.5d thì tiết diện phôi bị méo (có hình ovan hoặc hình quá trứng)

bd = ( ) ( 2.7) Trong đó:

r : bán kính uốn

: hệ số chiều dày theo hướng kính

d, d1: đường kính của phôi trước và sau khi uốn

Hệ số giảm mỏng  tính theo tỉ số r/t theo bảng sau:

Bảng 2.2: Bảng hệ số giảm mỏng theo tỷ lệ giữa bán kính và độ dày tấm

−

( 2.9) Khi mức độ biến dạng nhiều:

độ giới hạn lấy giảm đi

.ψmax ( 2.11) Trong thực tế sản xuất, giá trị của các bán kính nhỏ nhất cho phép đã được xác định bằng thực nghiệm và cho sẵn trong sổ tay

Với phương án tính toán và mối quan hệ giữa rmin và ψmax chỉ phù hợp đối với lý thuyết uốn tôn mỏng, và các góc định hình 1 lần ví dụ như uốn V, uốn U, hoặc theo khuôn định hình