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

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác. Hà Nội, tháng 5 năm 2016 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS.TS. Nguyễn Đắc Trung Trần Hải Đăngii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Gia công áp lực Viện Cơ khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã luôn tạo điều kiện thuận lợi nhất trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án này. Tôi đặc biệt cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Đắc Trung đã tận tình hướng dẫn tôi về chuyên môn trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Công tác tuyển sinh trường Đại học Sao Đỏ đã tạo điều kiện về thời gian, cơ sở vật chất và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã dành thời gian đọc và góp những ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án và định hướng nghiên cứu trong tương lai. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể gia đình, bạn bè, những người đã luôn chia sẻ, động viên, giúp đỡ tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Nghiên cứu sinh Trần Hải Đăngiii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................................................. ii MỤC LỤC....................................................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.................................................................................................................. vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................................................................ viii MỞ ĐẦU .......................................................................................................................................................... 1 I. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài......................................................................... 2 1. Mục đích của đề tài ............................................................................................................................. 2 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................................................... 2 II. Phƣơng pháp nghiên cứu........................................................................................................................ 2 III. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn................................................................................................. 3 1. Ý nghĩa khoa học................................................................................................................................. 3 2. Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................................................................. 3 IV. Các đóng góp mới của luận án.............................................................................................................. 3 V. Các nội dung chính trong luận án.......................................................................................................... 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH CHI TIẾT VỎ TỪ TẤM DẦY........................ 5 1.1 Các chi tiết tấm hình dạng phức tạp, cỡ lớn trong công nghiệp đóng tàu......................................... 5 1.2 Các phƣơng pháp tạo hình chi tiết vỏ................................................................................................... 6 1.2.1 Phương pháp uốn........................................................................................................................... 7 1.2.2 Tạo hình dựa trên biến dạng nhiệt ................................................................................................. 8 1.2.3 Uốn lốc trên máy 3 trục, 4 trục....................................................................................................... 9 1.2.4 Miết trên máy chuyên dụng.......................................................................................................... 10 1.2.5 Cán không đối xứng ..................................................................................................................... 11 1.2.6 Công nghệ lăn ép.......................................................................................................................... 11 1.3 Những kết quả nghiên cứu về công nghệ lăn ép ................................................................................ 12 1.3.1 Trên thế giới ................................................................................................................................. 12 1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................................................................. 18 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1........................................................................................................................... 20 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ LĂN ÉP.................................................................... 21 2.1 Các thông số cơ bản của quá trình lăn ép .......................................................................................... 21 2.2 Biên dạng, bán kính cặp trục lăn........................................................................................................ 23 2.3 Lực ép, phân bố áp lực trên bề mặt tiếp xúc khi lăn......................................................................... 25 2.4 Hệ số ma sát khi lăn ép ........................................................................................................................ 32 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2........................................................................................................................... 34 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LĂN ÉP DỰA TRÊN MÔ PHỎNG SỐ ............................. 35 3.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................................................. 35 3.2 Trình tự xây dựng bài toán mô phỏng số.......................................................................................... 36iv 3.3 Thiết lập bài toán mô phỏng số quá trình lăn ép phôi ..................................................................... 37 3.3.1 Xây dựng mô hình hình học ......................................................................................................... 37 3.3.2 Chia lưới phần tử.......................................................................................................................... 38 3.3.3 Xây dựng mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu .................................................. 39 3.3.4 Đặt điều kiện biên ........................................................................................................................ 40 3.4 Phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng số.......................................................................................... 41 3.5 Kiểm tra kết quả mô phỏng số bằng thực nghiệm ............................................................................ 46 3.5.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm .................................................................................................. 46 3.5.2 Thử nghiệm và kiểm tra kết quả mô phỏng số ............................................................................. 52 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3........................................................................................................................... 55 CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN BÁN KÍNH CONG CỦA SẢN PHẨM TẤM BẰNG MÔ PHỎNG SỐ......................................................................... 57 4.1 Các thông số công nghệ........................................................................................................................ 57 4.2 Khảo sát mối quan hệ giữa lực ép và mức độ biến dạng .................................................................. 58 4.3 Nghiên cứu ảnh hƣởng của lực ép, mức độ biến dạng tới bán kính của tấm sau khi lăn .............. 59 4.4 Nghiên cứu ảnh hƣởng của vận tốc lăn tới bán kính của tấm sau khi lăn ...................................... 65 KẾT LUẬN CHƢƠNG 4........................................................................................................................... 68 CHƢƠNG 5. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ VỚI BÁN KÍNH CONG SẢN PHẨM BẰNG THỰC NGHIỆM .............................................................. 69 5.1 Vật liệu, thiết bị và điều kiện thực nghiệm ........................................................................................ 69 5.2 Tiến hành thực nghiệm và đo kết quả ................................................................................................ 70 5.3 Nhận xét, phân tích đánh giá kết quả và xây dựng mối quan hệ hàm số giữa bán kính của sản phẩm tấm phụ thuộc vào các thông số công nghệ....................................................................................... 74 5.3.1 Khảo sát bán kính cong của tấm theo phương dọc ....................................................................... 74 5.3.2 Khảo sát bán kính cong của tấm theo phương ngang ................................................................... 78 5.3.3 Nhận xét kết quả thực nghiệm...................................................................................................... 82 5.4 Áp dụng kết quả nghiên cứu trong việc lăn ép vỏ tàu thuỷ .............................................................. 82 5.4.1 Chi tiết vỏ tàu thủy ....................................................................................................................... 82 5.4.2 Trình tự công nghệ lăn ép............................................................................................................. 83 5.4.3 Thực hiện lăn thử nghiệm chi tiết mũi quả lê tàu kiểm ngư Việt Nam......................................... 85 KẾT LUẬN CHƢƠNG 5........................................................................................................................... 89 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................... 90 HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO........................................................................................................ 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................................. 92 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ....................................................... 99 PHỤ LỤC ..................................................................................................................................................... 100v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Diễn giải Đơn vị  Góc ăn kim loại rad φt Góc tiếp xúc phôi với trục trên rad φd Góc tiếp xúc phôi với trục dưới rad σf Ứng suất chảy MPa σb Ứng suất bền MPa σx, y, z Ứng suất theo phương x, y và z MPa  eq Mức độ biến dạng tương đương 1,2,3 Mức độ biến dạng theo phương trục chính  Ứng suất tiếp xúc MPa μ Hệ số ma sát b Chiều rộng của phôi mm C Mô đun hóa bên vật liệu Ftx Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa phôi và trục lăn mm2 lt Chiều dài cung tiếp xúc giữa trục trên và phôi mm ld Chiều dài cung tiếp xúc giữa trục dưới và phôi mm Mt Khoảng cách từ tâm trục trên đến tâm cong của tấm mm Md Khoảng cách từ tâm trục dưới đến tâm cong của tấm mm N Lực pháp tuyến N n Số mũ hóa bền vật liệu P Lực ép N PTHH Phần tử hữu hạn p Áp suất chất lỏng Bar Pn Ứng suất pháp tuyến MPa ptb Áp lực riêng trung bình MPa Ra Bán kính ngoài sản phẩm mmvi Ri Bán kính trong sản phẩm mm Rtd Bán kính trục dưới mm Rtt Bán kính trục trên mm Rd Bán kính cong sản phẩm theo phương dọc mm Rn Bán kính cong sản phẩm theo phương ngang mm S Chiều dày phôi mm S1 Chiều dày phôi ban đầu mm S2 Chiều dày phôi sau khi lăn ép mm ΔS Lượng ép mm T Lực ma sát tiếp xúc N V Vận tốc của trục lăn radsvii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 3.1 Thành phần hóa học của thép SS400 39 Bảng 3.2 Tổng hợp kết quả mô phỏng trường hợp phôi tấm có chiều dày S = 20 mm 46 Bảng 3.3 Kết quả thử nghiệm 54 Bảng 4.1 Các thông số công nghệ khảo sát đối với vật liệu SS400 57 Bảng 4.2 Các thông số khảo sát lực ép phụ thuộc mức độ biến dạng 58 Bảng 4.3 Lực ép tính toán khi thay đổi chiều dày và mức độ biến dạng 58 Bảng 4.4 Các thông số khảo sát bán kính của tấm phụ thuộc lực ép, mức độ biến dạng 59 Bảng 4.5 Giá trị lực ép P, mức độ biến dạng 2 và bán kính sản phẩm Rd tương ứng trong trường hợp vận tốc V= 10 vph 60 Bảng 4.6 Giá trị lực ép P, mức độ biến dạng và bán kính sản phẩm Rn 64 Bảng 4.7 Các thông số khảo sát bán kính của tấm phụ thuộc vào vận tốc lăn 65 Bảng 4.8 Giá trị vận tốc lăn và bán kính sản phẩm Rd ứng với chiều dày S = 20 mm 66 Bảng 4.9 Giá trị vận tốc lăn và bán kính sản phẩm Rn ứng với chiều dày S = 20 mm 67 Bảng 5.1 Các thông số khảo sát bán kính của tấm phụ thuộc lực ép, mức độ biến dạng 70 Bảng 5.2 Các giá trị đo áp suất chất lỏng công tác, lực ép, mức độ biến dạng, bán kính cong của sản phẩm tấm 73 Bảng 5.3 Yêu cầu đối với sản phẩm 83 Bảng 5.4 Bảng thông số công nghệ khi lăn chi tiết 1 theo chiều rộng 85 Bảng 5.5 Bảng thông số công nghệ khi lăn chi tiết 1 theo chiều dài 86 Bảng 5.6 Bảng thông số công nghệ khi lăn chi tiết 2 theo chiều rộng 87 Bảng 5.7 Bảng thông số công nghệ khi lăn chi tiết 2 theo chiều dài 87 Bảng 5.8 Bảng kết quả tạo hình sản phẩm 88viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Tấm có biên dạng cong phức tạp sử dụng trong sản xuất vỏ tàu 6 Hình 1.2 Hình ảnh vỏ tàu thủy 6 Hình 1.3 Sơ đồ uốn trên khuôn 7 Hình 1.4 Một số hình ảnh uốn phôi tấm trên máy ép thủy lực 7 Hình 1.5 Một số hình ảnh chế tạo tấm cong từ phôi thép phẳng bằng phương pháp gia nhiệt cục bộ bằng ngọn lửa Oxi Axetylen 8 Hình 1.6 Kết cấu hàn trong cấu tạo thân vỏ tàu 9 Hình 1.7 Một số hình ảnh uốn phôi thép tấm trên máy uốn lốc 3 trục 10 Hình 1.8 Một số hình ảnh về máy miết sản phẩm được tạo hình bằng phương pháp miết 10 Hình 1.9 Sơ đồ cán không đối xứng 11 Hình 1.10 Một số hình ảnh về thiết bị lăn ép sản phẩm được tạo hình bằng phương pháp lăn ép 12 Hình 1.11 Sơ đồ thể hiện quá trình lăn không đối xứng 13 Hình 1.12 Lực phụ thuộc vào tỷ số v2v1 15 Hình 1.13 Phân bố áp suất cán trên cung tiếp xúc tỷ số tốc độ thay đổi 15 Hình 1.14 Tấm cong khi hệ số ma sát giữa phôi với hai trục lăn khác nhau 16 Hình 1.15 Ảnh hưởng của mức độ ép tới bán kính cong của tấm khi tỷ số hệ số ma sát con lăn trên và con lăn dưới (µ2µ1) thay đổi 17 Hình 1.16 Ảnh hưởng của bán kính trục cán đến bán kính cong của sản phẩm 17 Hình 1.17 Sự thay đổi của bán kính cong với chiều dầy và hệ số ma sát khác nhau 17 Hình 2.1 Sơ đồ quá trình lăn ép không đối xứng 21 Hình 2.2 Các kiểu biên dạng con lăn 24 Hình 2.3 Con lăn trên 24 Hình 2.4 Con lăn dưới 24 Hình 2.5 Hình biểu diễn sơ đồ tác dụng lực trường hợp đơn giản nhất 25 Hình 2.6 Hình biểu diễn sơ đồ tác dụng của ứng suất nội lực 25 Hình 2.7 Sơ đồ tác dụng lực khi ép ban đầu 26 Hình 2.8 Lực phân bố trên cung tiếp xúc giữa phôi và trục khi ép ban đầu 27 Hình 2.9 Phôi biến dạng dưới tác dụng của lực ép ban đầu 27 Hình 2.10 Sơ đồ lực tác dụng khi lăn 28 Hình 2.11 Áp lực phân bố trên cung tiếp xúc giữa phôi và trục khi lăn 28 Hình 2.12 Sơ đồ xác định mô men uốn theo phương z 29ix Hình 2.13 Sơ đồ xác định mô men uốn theo phương x do lực ma sát gây nên 29 Hình 2.14 Phôi biến dạng khi lăn 30 Hình 2.15 Quan hệ giữa lực ép và bán kính cong của sản phẩm 32 Hình 2.16 Quan hệ giữa lực ép và lượng ép khi lăn ép phôi tấm có chiều dày S = 10mm 32 Hình 2.17 Biểu đồ phân bố áp lực trong vùng tiếp xúc giữa phôi và trục lăn 33 Hình 3.1 Các bước thiết lập bài toán mô phỏng số 36 Hình 3.2 Mô hình hình học cặp trục lăn và phôi 37 Hình 3.3 Lưới phần tử của cặp con lăn và phôi tấm 38 Hình 3.4 Mẫu thử kéo 39 Hình 3.5 Đường cong lực chuyển vị khi thử kéo của vật liệu SS400 40 Hình 3.6 Đường cong quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu SS400 40 Hình 3.7 Mô hình thiết lập điều kiện biên cho bài toán lăn ép 41 Hình 3.8 Vết tiếp xúc giữa phôi tấm với con lăn trên và dưới 42 Hình 3.9 Phôi tấm cong ở các thời điểm khác nhau từ bắt đầu đến kết thúc lượt lăn 42 Hình 3.10 Bán kính cong theo phương dọc và phương ngang của tấm 43 Hình 3.11 Biểu đồ lực lăn ép theo thời gian 43 Hình 3.12 Vết tiếp xúc giữa phôi và các con lăn khi lăn ép 44 Hình 3.13 Phân bố ứng suất trong mặt cắt dọc phôi khi lăn ép 44 Hình 3.14 Phân bố ứng suất 2, biến dạng 3 theo phương dọc 45 Hình 3.15 Phân bố biến dạng tương đương 45 Hình 3.16 Phân bố ứng suất trong mặt cắt ngang phôi khi lăn ép 45 Hình 3.17 Phân bố biến dạng 1 theo phương ngang 46 Hình 3.18 Các mô đun chính trong hệ thống thực nghiệm 47 Hình 3.19 Máy ép thủy lực SBP 1500 T 47 Hình 3.20 Thiết bị lăn ép 48 Hình 3.21 Cấu trúc thiết bị đo áp suất 49 Hình 3.22 Sơ đồ mạch xử lý tín hiệu đo áp suất 49 Hình 3.23 Sơ đồ ghép nối card thu thập số liệu với hệ thống 50 Hình 3.24 Thiết bị đo áp suất 50 Hình 3.25 Thiết bị đo áp suất được lắp trên máy ép thuỷ lực 50 Hình 3.26 Chương trình đo áp suất 51 Hình 3.27 Chương trình đọc kết quả đo áp suất 51 Hình 3.28 Thiết bị đo FARO Prime sử dụng đo bán kính tấm khi thực nghiệm 52 Hình 3.29 Đồng hồ so điện tử 543494B đo lượng ép sản phẩm lăn ép 52x Hình 3.30 Thí nghiệm lăn ép phôi tấm 53 Hình 3.31 Đồ thị áp suất chất lỏng công tác trong suốt quá trình lăn ép 53 Hình 3.32 Tấm sau khi lăn ép 54 Hình 4.1 Mối quan hệ giữa lực ép và mức độ biến dạng dựa trên tính toán mô phỏng số 59 Hình 4.2 Đồ thị quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương dọc Rd và lực ép P, mức độ biến dạng với vận tốc lăn V = 10 vph, chiều dày phôi từ 10 – 30 mm 61 Hình 4.3 Đồ thị quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương dọc Rd và lực ép P, mức độ biến dạng với chiều dày phôi S = 20 mm, vận tốc lăn V = 5; 10; 20; 30 vph 61 Hình 4.4 So sánh vết tiếp xúc, ứng suất và biến dạng khi lực ép, mức độ biến dạng trong hai trường hợp a) S = 20 mm, P = 76,9 Tấn, 2 = 0,06 và b) S = 20 mm, P = 104,8 Tấn, 2 = 0,09 62 Hình 4.5 So sánh ứng suất và biến dạng khi lực ép, mức độ biến dạng trong hai trường hợp a) S = 20 mm, P = 76.9 Tấn, 2 = 0,06 và b) S = 30 mm, P = 100,4 Tấn, 2 = 0,06 63 Hình 4.6 Tấm bị uốn cong theo phương ngang 63 Hình 4.7 Đồ thị quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương ngang Rn và lực ép P 64 Hình 4.8 Đồ thị quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương ngang Rn và mức độ biến dạng 2 65 Hình 4.9 Đồ thị quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương dọc Rd và vận tốc lăn ứng với chiều dày tấm S = 20 (mm) 66 Hình 4.10 Đồ thị quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương dọc Rn và vận tốc lăn khi chiều dày tấm S= 20mm 67 Hình 5.1 Phôi tấm 69 Hình 5.2 Phôi được được kẹp giữa hai trục lăn và thực hiện xong quá trình lăn ép 71 Hình 5.3 Sản phẩm tấm sau khi lăn ép với các chiều dày từ 10 đến 30 mm 72 Hình 5.4 Các giá trị lực, bán kính cong sản phẩm theo phương dọc Rd của các điểm thực nghiệm ứng với S = 20 mm 75 Hình 5.5 Các giá trị mức độ biến dạng, bán kính cong sản phẩm theo phương dọc Rd của các điểm thực nghiệm ứng với S = 20 mm 75 Hình 5.6 So sánh quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm phương dọc Rd và lực ép khi thực nghiệm và mô phỏng số ứng với S = 20 mm 76xi Hình 5.7 So sánh quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm phương dọc Rd và mức độ biến dạng khi thực nghiệm và mô phỏng số ứng với S = 20 mm 76 Hình 5.8 So sánh quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương dọc Rd và lực ép khi thực nghiệm và mô phỏng số ứng với các chiều dày từ 10 mm đến 30 mm 77 Hình 5.9 So sánh quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương dọc Rd và mức độ biến dạng khi thực nghiệm và mô phỏng số ứng với các chiều dày từ 10 mm đến 30 mm 77 Hình 5.10 Đồ thị biểu diễn hàm Rd(S,P) và Rd(S,2) 78 Hình 5.11 Các giá trị lực, bán kính cong sản phẩm theo phương ngang Rn của các điểm thực nghiệm ứng với S = 20 mm 78 Hình 5.12 Các giá mức độ biến dạng, bán kính cong sản phẩm theo phương ngang Rn của các điểm thực nghiệm ứng với S = 20 mm 79 Hình 5.13 So sánh quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm phương ngang Rn và lực ép khi thực nghiệm và mô phỏng số ứng với S = 20 mm 79 Hình 5.14 So sánh quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm phương ngang Rn và mức độ biến dạng khi thực nghiệm và mô phỏng số ứng với S = 20 mm 80 Hình 5.15 So sánh quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương ngang Rn và lực ép khi thực nghiệm và mô phỏng số ứng với các chiều dày từ 10 mm đến 30 mm 80 Hình 5.16 So sánh quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương ngang Rn và mức độ biến dạng khi thực nghiệm và mô phỏng số ứng với các chiều dày từ 10 mm đến 30 mm 81 Hình 5.17 Đồ thị biểu diễn hàm Rn(S,P) và Rn(S,2) 81 Hình 5.18 Hình ảnh mũi quả lê tàu kiểm ngư Việt Nam 83 Hình 5.19 Lăn theo phương chiều dài của tấm 83 Hình 5.20 Xoay phôi 900, lăn theo phương chiều rộng tấm 84 Hình 5.21 Bước dịch chuyển phôi t giữa hai đường lăn ép kề nhau 84 Hình 5.22 Hình ảnh sản phẩm 1 86 Hình 5.23 Hình ảnh sản phẩm 2 881 MỞ ĐẦU Đối với mỗi quốc gia, công nghiệp hóa và hiện đại hóa luôn là yếu tố hết sức quan trọng, cần thiết thực hiện để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm. Đối với Việt Nam, yêu cầu tiến hành công nghiệp hóahiện đại hóa để đưa nền sản xuất trở thành sản xuất lớn, luôn là nhiệm vụ cấp thiết, ưu tiên hàng đầu của đất nước trong giai đoạn hiện nay. Hiện nay, nhiều trường đại học, viện nghiên cứu đang tập trung vào việc nâng cao năng lực chuyên môn ở nhiều lĩnh vực, doanh nghiệp được trang bị kiến thức sâu hơn, áp dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật để nghiên cứu và chế tạo các thiết bị máy móc mà trước đây hoàn toàn phải tự nhập của nước ngoài. Trong vòng 10 năm qua, ngành đóng tàu giữ một vị trí quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp ở Việt Nam. Nhu cầu chế tạo các chi tiết vỏ tàu với hình dạng phức tạp, độ chính xác cao, kích thước lớn ngày càng gia tăng tại các doanh nghiệp đóng tàu. Với trình độ hiện nay của các doanh nghiệp trong nước, để chế tạo các chi tiết vỏ có biên dạng phức tạp từ tấm dày, thì công nghệ sử dụng chủ yếu là cắt, gò, hàn, gia công nhiệt, hay tạo hình thủ công hoặc trên các thiết bị vạn năng, khuôn đơn giản. Như vậy khó có khả năng đáp ứng được năng suất cũng như chất lượng cao của sản phẩm. Hơn nữa những chi phí cho việc chế tạo vỏ tàu thường rất lớn, gây lãng phí mà vẫn không đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật. Trên thế giới, việc chế tạo các chi tiết vỏ tàu được thực hiện với những công nghệ hiện đại, cho phép tạo hình nhanh, chính xác như vê, miết, lăn ép, tạo hình cục bộ liên tục trên các thiết bị điều khiển số. Ở Việt Nam đã có những ý tưởng xây dựng hướng nghiên cứu công nghệ lăn ép và ứng dụng thử nghiệm trong sản xuất vỏ tàu thường có tải trọng vừa và nhỏ. Tuy nhiên chưa có tài liệu hoặc nghiên cứu cơ bản nào về các thông số trong quá trình lăn ép vỏ tàu thủy, để tạo hình các tấm cong biên dạng phức tạp theo yêu cầu của thiết kế. Do đó, việc nghiên cứu công nghệ lăn ép hiện nay rất cần thiết. Kết quả nghiên cứu là cơ sở để áp dụng, sản xuất chế tạo tại các nhà máy đóng tàu nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất cũng như chất lượng. Trên cơ sở đó, mục tiêu trong khuôn khổ luận án là thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ lăn ép đến khả năng tạo hình chi tiết vỏ tàu từ tấm dày, là phát triển công nghệ lăn ép về mặt lý thuyết, đồng thời các kết quả nghiên cứu sẽ được sử dụng khi thiết kế và chế tạo các chi tiết vỏ tàu. Đề tài luận án được đề xuất như sau “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản khi lăn ép đến khả năng tạo hình tấm dày có biên dạng phức tạp ứng dụng trong công nghệ đóng tàu” .2 I. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 1. Mục đích của đề tài Nghiên cứu xây dựng bài toán lăn ép dựa trên lý thuyết gia công áp lực; Lý giải các nguyên nhân hiện tượng phôi tấm cong khi lăn ép; Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản trong quá trình tạo hình bán kính cong của phôi tấm. Từ đó, thiết lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và bán kính cong của tấm theo thiết kế, áp dụng trong chế tạo thử nghiệm các chi tiết trong vỏ tàu thuỷ. 2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ) Đối tượng nghiên cứu: Thép tấm dày có mác SS400 được sử dụng phổ biến trong công nghiệp chế tạo vỏ tàu thủy. Sản phẩm vỏ tàu thủy có biên dạng cong lồi. Thiết bị thực nghiệm: Máy ép thủy lực 1500T, cụm con lăn ép được dẫn động riêng và lắp trên máy ép thủy lực. ) Phạm vi nghiên cứu: Lực ép: Từ 10 Tấn đến 180 Tấn Chiều dày phôi tấm: Từ 10mm đến 30mm Vận tốc lăn: Từ 5 vph đến 30 vph (tương đương với vận tốc 0.525 rads đến 3.14 rads) Các nội dung nghiên cứu được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Gia công áp lực Viện Cơ khí Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các Viện nghiên cứu, Nhà máy đóng tàu Hạ Long... II. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết với thực nghiệm Tìm hiểu các kết quả nghiên cứu đã công bố liên quan đến đề tài trong và ngoài nước, từ đó xây dựng cơ sở lý thuyết cho công nghệ lăn ép. Nghiên cứu lý thuyết dựa trên tính toán, phân tích giải tích và mô phỏng số. Nghiên cứu thực nghiệm, xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm trên máy công nghiệp, sử dụng thiết bị đo và các phần mềm đo hiện đại có ở Việt Nam, dữ liệu xử lý số liệu cho kết quả đảm bảo độ tin cậy. Sử dụng phần mềm Matlab để xây dựng hàm và đồ thị quan hệ giữa các thông số công nghệ với bán kính sản phẩm tạo hình.3 III. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1. Ý nghĩa khoa học Đã hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về công nghệ lăn ép, phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng trên phôi tấm khi lăn ép để làm rõ hiện tượng phôi cong khi tạo hình tấm trên trục lăn có biên dạng tang trống, đường kính cặp trục lăn khác nhau. Đã phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình lăp ép tới bán kính cong sản phẩm dựa trên mô phỏng số. Đã xây dựng hàm số biểu diễn quan hệ giữa các thông số công nghệ với bán kính cong sản phẩm dựa trên các kết quả thực nghiệm, từ đó lựa chọn được thông số công nghệ đầu vào phù hợp để tạo hình sản phẩm tấm với bán kính cong theo thiết kế. Luận án được sử dụng làm tài liệu tham khảo phục vụ cho việc giảng dạy, nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực chuyên ngành. 2. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu mở ra khả năng ứng dụng công nghệ tạo hình mới cho độ chính xác và năng suất cao khi gia công chế tạo các chi tiết vỏ tàu thủy trong điều kiện Việt Nam. Ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào việc lập quy trình và lựa chọn thông số công nghệ phù hợp khi chế tạo các chi tiết tấm dày có biên dạng cong phức tạp. Sự thành công của công trình nghiên cứu sẽ góp phần làm chủ thiết bị và công nghệ của ngành đóng tàu Việt Nam, tạo tiền đề cho lĩnh vực tự động hóa trong sản xuất, chế tạo tàu thủy, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thiểu nhập khẩu và tránh ô nhiễm môi trường. IV. Các đóng góp mới của luận án Giải thích được hiện tượng phôi tấm biến dạng cong trong quá trình lăn ép để tạo hình tấm dựa trên trường phân bố ứng suất và biến dạng. Xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ: lực ép, mức độ biến dạng, vận tốc lăn tới bán kính sản phẩm khi tạo hình bằng công nghệ lăn ép. Xây dựng phương pháp mô phỏng số để nghiên cứu quá trình lăn ép và khảo sát mối quan hệ giữa các thông số công nghệ cơ bản với bán kính cong của tấm. Xây dựng hệ thống thực nghiệm để xác định các thông số công nghệ trong quá trình lăn ép. Xây dựng được hàm thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công nghệ chính và bán kính sản phẩm tạo hình.4 V. Các nội dung chính trong luận án. Nghiên cứu công nghệ lăn ép trong tạo hình chi tiết tấm dày có biên dạng phức tạp. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính như: lực ép, mức độ biến dạng, vận tốc lăn tới bán kính cong của sản phẩm tấm dựa trên mô phỏng số. Xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm tra, đánh giá các kết quả tính toán mô phỏng. Xây dựng hàm số thể hiện mối quan hệ giữa các thông số công nghệ chính với bán kính cong của sản phẩm dựa trên thực nghiệm. Ứng dụng kết quả nghiên cứu trong chế tạo thử chi tiết vỏ tàu để minh chứng tính hiệu quả của công nghệ lăn ép. Luận án ngoài các mục quy định và phần mở đầu được trình bày trong 5 chương. Chương 1 tóm lược những nét chính về công nghệ tạo hình chi tiết vỏ từ tấm dày. Trong chương này đã đề cập đến các dạng chi tiết vỏ tàu thuỷ có biên dạng phức tạp và công nghệ hiện hành được sử dụng để tạo hình các chi tiết vỏ. Đặc biệt đã xem xét đến một phương pháp công nghệ mới, công nghệ lăn ép, cho hiệu quả cao khi tạo hình các chi tiết vỏ tàu thuỷ. Từ những kết quả tìm hiểu tài liệu, các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, đã đề xuất hướng, nội dung nghiên cứu cho luận án. Cơ sở lý thuyết công nghệ lăn ép được trình bày ở chương 2, trong đó đã nghiên cứu bài toán lăn ép dựa trên lý thuyết cán không đối xứng, tìm hiểu các thông số công nghệ chính ảnh hưởng tới quá trình tạo hình cũng như bán kính cong của tấm sau khi lăn. Chương 3 trình bày quá trình thực hiện mô phỏng số bài toán lăn ép và xây dựng thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả mô phỏng số. Chương 4 trình bày các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến bán kính cong của sản phẩm tấm dựa trên mô phỏng số. Việc xây dựng mối quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm và các thông số công nghệ dựa trên thực nghiệm được trình bày trong chương 5. Trong chương này cũng trình bày các hình ảnh sản phẩm vỏ tàu thuỷ được chế tạo thử nghiệm bằng công nghệ lăn ép.5 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH CHI TIẾT VỎ TỪ TẤM DẦY 1.1 Các chi tiết tấm hình dạng phức tạp, cỡ lớn trong công nghiệp đóng tàu Trong công nghiệp đóng tàu, vỏ và máy tàu là hai yếu tố quan trọng, chiếm tỷ trọng lớn nhất về giá trị con tàu, cho nên công nghiệp đóng tàu trước hết cần tập trung đầu tư vào công nghệ chế tạo vỏ tàu thủy để nâng cao hiệu quả, và tiết kiệm chi phí sản xuất, tăng năng lực cạnh tranh. Theo 13, 14, 20 cấu tạo của thân vỏ tàu được ghép lại bởi các tấm có biên dạng cong phức tạp. Các biên dạng này đóng vai trò rất quan trọng trong chuyển động của tàu trong môi trường nước. Vỏ tàu thuỷ được chế tạo từ nhiều chi tiết tấm có chiều dày, biên dạng cong phức tạp. Việc chế tạo các chi tiết này chủ yếu dựa trên các phương pháp tạo hình truyền thống như uốn, nắn, tạo hình bằng gia nhiệt hay lốc các tấm có kích thước nhỏ trên các thiết bị máy ép vạn năng sau đó hàn ghép lại 1, 8, 16. Như vậy, năng suất cũng như chất lượng sản phẩm không cao. Trong khi đó các chi tiết vỏ tàu thủy thường có biên dạng cong phức tạp. Độ chính xác và năng suất chế tạo tấm cong phức tạp trong vỏ tàu thủy luôn là một vấn đề cần quan tâm nghiên cứu. Việc tạo hình các tấm kim loại theo thiết kế và điều khiển được các thông số công nghệ như lực ép, mức độ biến dạng, vận tốc lăn…v.v là mục tiêu mà các nhà máy kỹ thuật hướng tới. Dưới đây, trình bày một vài vài hình ảnh tấm có biên dạng cong ứng dụng trong đóng vỏ tàu thủy hiện nay.6 Hình 1.1 Tấm có biên dạng cong phức tạp sử dụng trong sản xuất vỏ tàu Các chi tiết vỏ tàu được chế tạo và lắp ráp ngay tại công trường, nên công nghệ chế tạo đòi hỏi đơn giản, dễ vận chuyển, linh hoạt, dễ tự động hóa, thuận tiện cho việc lắp ráp thành vỏ con tàu lớn. Hình 1.2 Hình ảnh vỏ tàu thủy 13 1.2 Các phƣơng pháp tạo hình chi tiết vỏ Công nghệ tạo hình tấm đã được nghiên cứu, ứng dụng rất phổ biến trong ngành cơ khí. Các công nghệ tạo hình tấm truyền thống như dập vuốt, uốn, nắn, tóp lên vành được thực hiện bằng khuôn lắp trên máy ép trục khuỷu hay máy ép thủy lực 1, 9, 15. Hầu hết các chi tiết, sản phẩm tuy có biên dạng phức tạp, nhưng có chiều dày không lớn (thường nhỏ hơn 2,0 mm) và được ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp dân dụng, hóa chất, ô tô, xe máy, quốc phòng. Đối với ngành công nghiệp chế tạo vỏ tàu thủy thì các phương pháp công nghệ tạo hình trên không phù hợp, bởi các chi tiết vỏ tàu là các tấm lớn có biên dạng cong phức tạp chiều dày từ 10 mm đến 30 mm 9. Công nghệ chế tạo vỏ tàu thủy hiện vẫn thường sử dụng các nguyên công đơn giản để tạo hình các chi tiết có biên dạng phức tạp, kích thước lớn như uốn tự do, gia nhiệt cục bộ, uốn lốc... 16. Các tấm lớn được tách thành các tấm có các hình dạng nhỏ và đơn giản hơn sau đó nối lại bằng phương pháp hàn.7 1.2.1 Phƣơng pháp uốn Uốn là một phương pháp nhằm biến đổi các phôi có trục thẳng thành các chi tiết có trục cong. Phương pháp này đảm bảo độ cong đồng đều của tấm. Nếu uốn tự do và mức độ biến dạng nhỏ, thì độ chính xác của tấm phụ thuộc rất lớn vào năng lực và tay nghề của người công nhân. Thời gian gia công dài, phải tạo hình từ từ và thường xuyên cần dưỡng kiểm tra biên dạng. Hiện nay, ngành đóng tàu sử dụng chủ yếu phương pháp này bởi các tấm thường lớn, khó có thể uốn bằng khuôn. Nếu sản xuất tự động thì cần có thiết bị phù hợp 10, 13, 14, 20, 61 để thực hiện vận chuyển và đưa phôi vào máy. Phương pháp uốn được mô tả như hình dưới đây (hình 1.3, hình 1.4). Hình 1.3 Sơ đồ uốn trên khuôn 9, 16 Hình 1.4 Một số hình ảnh uốn phôi tấm trên máy ép thủy lực8 Ưu điểm : Khuôn có kết cấu đơn giản, dễ dàng thực hiện trên các máy thủy lực với lực danh nghĩa lớn 200T÷1500T. Sản phẩm uốn đa dạng, có thể tạo ra các chi tiết có bán kính cong lớn và được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Nhược điểm: Khó tạo được những biên dạng cong phức tạp, phải kết hợp với các phương pháp khác như cắt rời, cắt hình, hàn, ghép để tạo được chi tiết phức tạp, sản phẩm có độ chính xác không cao, quá trình tạo hình mất nhiều thời gian. 1.2.2 Tạo hình dựa trên biến dạng nhiệt Nhiều chi tiết có biên dạng phức tạp nên trước hết phải uốn chi tiết thành các biên dạng cong cơ bản (cong theo một phương), sau đó gia nhiệt cục bộ. Biến dạng nhiệt làm cho tấm bị dãn nở cục bộ và cong lên. Nếu lựa chọn vị trí gia nhiệt hợp lý, ví dụ như gia nhiệt ở vị trí mép ngoài tấm làm chiều dài mép ngoài tăng lên, như vậy có thể làm cho tấm bị cong theo các phương khác nhau và tạo ra tấm cong 3D (hình 1.5). Hình 1.5 Một số hình ảnh chế tạo tấm cong từ phôi thép phẳng bằng phương pháp gia nhiệt cục bộ bằng ngọn lửa Oxy Axetylen Trong quá trình gia nhiệt có thể xảy ra đồng thời hai hoặc nhiều dạng biến dạng bao gồm: biến dạng dọc, ngang, góc, xoắn và uốn cong. Các chi tiết tấm sau khi tạo hình được ghép nối theo phương pháp hàn truyền thống.9 Hình 1.6 Kết cấu hàn trong cấu tạo thân vỏ tàu 20 Biến dạng xảy ra do sự co ngót không đều của mối hàn và kim loại cơ bản khi nung nóng, làm nguội, ứng suất xuất hiện ở mối hàn là kết quả của những thay đổi về thể tích, của các kết cấu kẹp. Có thể gây biến dạng kết cấu vỏ, làm giảm độ chính xác, thậm chí có thể gây xé rách hoặc đứt gãy 13, 14, 20. Có nhiều yếu tố gây nên biến dạng sau khi hàn và khó dự báo chính xác mức độ biến dạng có thể xảy ra. Một số yếu tố cần được xem xét bao gồm hệ thống gá kẹp, đặc tính nhiệt và các tính chất của vật liệu gốc; ứng suất dư được sinh ra từ quá trình gia công kim loại trước đó như cán, tạo hình và uốn; kiểu mối hàn; độ chính xác gia công và bản chất của quá trình hàn, tính đối xứng của mối nối, gia nhiệt trước và trình tự hàn. Ưu điểm: Phương pháp đơn giản, có thể chế tạo được các chi tiết có kích thước lớn. Vì được hàn ghép nối từ các chi tiết nhỏ nên có thể chế tạo được các sản phẩm có hình dạng và kích thước rất đa dạng. Nhược điểm: Sản phẩm có độ chính xác thấp, thời gian chế tạo dài nên năng suất thấp. Kết cấu vỏ có độ bền không đồng đều bởi nhiều vị trí chịu ảnh hưởng của nhiệt làm thay đổi tổ chức vật liệu. 1.2.3 Uốn lốc trên máy 3 trục, 4 trục Khi chế tạo các chi tiết biên dạng trụ hoặc côn, đường cong hở hoặc khép kín, có thể sử dụng công nghệ uốn lốc trên các máy uốn 3 trục, 4 trục... Phôi thép được cuốn vào các trục và bị uốn cong bởi chuyển động của các trục lăn theo nguyên lý uốn, lốc 13, 14, 16, 20, 22, 23, 59. Ưu điểm: Sản phẩm có độ chính xác cao, thời gian chế tạo sản phẩm ngắn nên năng suất cao. Nhược điểm: Thường chỉ chế tạo được các sản phẩm có biên dạng dạng trụ hoặc dạng côn.10 Hình 1.7. Một số hình ảnh uốn phôi thép tấm trên máy uốn lốc 3 trục 1, 16, 22 1.2.4 Miết trên máy chuyên dụng Miết là một phương pháp gia công kim loại bằng áp lực nhằm tạo hình chi tiết rỗng từ phôi phẳng hoặc phôi rỗng dựa vào chuyển động quay của phôi dưới tác dụng của lực công tác làm biến dạng dẻo cục bộ tại một vị trí trên phôi quay 9, 16, 22, 57, 71. Hình 1.8 Một số hình ảnh về máy miết sản phẩm được tạo hình bằng phương pháp miết 1, 85, 8711 Ưu điểm: Sản phẩm có chất lượng, độ chính xác cao, quá trình tạo hình linh hoạt và cho năng suất cao, có thể tạo hình được với nhiều loại vật liệu như thép, thép không gỉ, các kim loại nhẹ như nhôm, titan và các kim loại khác như đồng, niken, volfram. Nhược điểm: Thường được sử dụng để tạo hình các chi tiết dạng rỗng có đối xứng trục, ví dụ như các chi tiết hình chỏm cầu. Kích thước bị hạn chế bởi không gian làm việc của máy. 1.2.5 Cán không đối xứng Cán không đối xứng (hình 1.9) là quá trình cán trong đó các thông số hình học như đường kính trục cán, biên dạng thông số quá trình như: hệ số ma sát giữa phôi và 2 trục, nhiệt độ của 2 trục cán, vận tốc, mô men của 2 trục cán không giống nhau. Sản phẩm khi cán qua trục cán có biên dạng cong 38, 39, 40, 83. Hình 1.9 Sơ đồ cán không đối xứng 38 Với đường kính trục cán, ma sát, hoặc tốc độ cán không giống nhau phôi tấm bị biến dạng không đồng đều tại mặt trên và dưới, do đó sản phẩm tấm bị uốn cong về phía trục có đường kính nhỏ hơn, hoặc cong về phía bề mặt ít bị cản trở hơn 74, 83. Ưu điểm: Sản phẩm có biên dạng cong phức tạp, chất lượng bề mặt sản phẩm cao. Nhược điểm: Quá trình cán không đối xứng để tạo biên dạng cong thường là cán nóng, do vậy việc điều khiển các thông số công nghệ trong quá trình cán không đối xứng khá phức tạp. Để tạo được hình dáng cong theo yêu cầu cần xác định được các thông số công nghệ một cách chính xác. 1.2.6 Công nghệ lăn ép Lăn ép là công nghệ tạo hình chi tiết từ phẳng thành cong hoặc cong từ bán kính lớn thành cong với bán kính nhỏ hơn. Phôi tấm được hai trục lăn quay, kéo qua khe hở12 giữa hai trục lăn, dưới tác dụng của lực ép từ hai con lăn ép lên phôi. Sau khi ra khỏi khe hở giữa hai trục lăn, phôi bị biến dạng cong lên (hình 1.10). Như vậy, lăn ép có thể coi tương tự như trường hợp cán không đối xứng. Nhưng khác ở điểm, trong quá trình cán, phôi đi thẳng sau khi ra khỏi khe hở cán, chiều dày giảm đi, chiều dài tăng lên, còn trong lăn ép, phôi bị biến dạng cong nhưng cố gắng giảm thiểu sự mỏng của phôi tấm 37, 92 Hình 1.10 Một số hình ảnh về thiết bị lăn ép sản phẩm được tạo hình bằng phương pháp lăn ép Ưu điểm: Phương pháp này cho năng suất cao, sản phẩm có chất lượng và độ chính xác cao, sản phẩm có thể tạo được nhiều biên dạng phức tạp. Các sản phẩm được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp đóng tàu. Nhược điểm: Sản phẩm có hiện tượng biến mỏng, cần phải hạn chế biến mỏng phôi trong quá trình sản xuất. 1.3 Những kết quả nghiên cứu về công nghệ lăn ép 1.3.1 Trên thế giới Theo 85, 86, 87, 88, 89, 92, khi công nghệ đóng vỏ tàu thuỷ trên thế giới phát triển mạnh mẽ, đòi hỏi nâng cao năng suất và chất lượng vỏ tàu thì các phương pháp dập, tạo hình cục bộ, uốn tự do… chỉ có thể đáp ứng được việc tạo hình các chi tiết vỏ tàu có trọng tải nhỏ, chiều dày từ 5 đến 10 mm. Đối với các con tàu có tài trọng lớn trên 10.000 Tấn, các chi tiết vỏ tàu thường có chiều dày từ 10 đến 30 mm, thì các phương pháp tạo hình truyền thống không cho hiệu quả sản xuất cũng như độ chính xác biên dạng vỏ không đúng như thiết kế. Việc hiệu chỉnh biên dạng thủ công gặp nhiều khó khăn bởi chi tiết thường lớn, nặng, biên dạng phức tạp. Vì vậy, ở một số nơi đã tiến hành nghiên cứu thử nghiệm và áp dụng phương pháp uốn lốc để tạo hình nhưng chi tiết có biên dạng cong theo một phương (cong 2D), một phần nhỏ thử nghiệm phương pháp cán không đối xứng để tạo hình những chi tiết có biên dạng cong theo nhiều phương (cong 3D). Phương pháp cán không đối xứng được áp dụng với mong muốn tạo hình được biên dạng cong của chi tiết,13 nhưng chiều dày của chi tiết ít thay đổi để đảm bảo độ bền và dễ dàng hàn ghép với các chi tiết khác. Trên cơ sở đó, phương pháp mới ra đời và gọi tên là Lăn ép 89. Các công trình nghiên cứu về lăn ép dựa trên lý thuyết về cán không đối xứng để xác định các thông số công nghệ, bởi chúng có nhiều điểm tương đồng về mặt cơ sở lý thuyết 92. Các hướng nghiên cứu trong công nghệ lăn ép (hay cán không đối xứng) chủ yếu tập trung vào những thông số vật liệu, hình học của trục lăn và các thông số công nghệ như: Vật liệu phôi; Nhiệt độ biến dạng; Lực ép; Mức độ biến dạng; Vận tốc lăn; Kích thước phôi; Hình dạng và kích thước của trục; Ma sát trong quá trình biến dạng giữa trục và phôi; Công nghệ lăn ép thích hợp với nhiều loại vật liệu, tuy nhiên vật liệu được quan tâm nhiều vẫn là thép. Các vật liệu như hợp kim nhôm, hợp kim magiê, hợp kim đồng cũng được nhắc đến, nhưng chủ yếu là các tấm mỏng có chiều dày từ 6 mm 28, 43, 66 trở xuống và nếu sử dụng trong vỏ tàu thì chủ yếu là tàu cao tốc và tạo hình bằng phương pháp dập, tạo hình cục bộ liên tục trên các thiết bị điều khiển số. Quá trình tạo hình lăn ép tương tự như cán không đối xứng, tức là bán kính trục, tốc độ, hệ số ma sát trên mặt tiếp xúc giữa phôi và hai trục là khác nhau. Kim loại khi đi qua vùng biến dạng (khe hở giữa hai trục) có chiều dày ban đầu S1, khi ra khỏi khe hở giữa hai trục có chiều dày S2 và tấm kim loại sẽ cong lên (hình 1.11). Hình 1.11 Sơ đồ thể hiện quá trình lăn không đối xứng 7614 Nghiên cứu vùng biến dạng, khảo sát tiếp xúc giữa phôi với trục trên, phôi với trục dưới trong những điều kiện thông số hình học, động học, động lực học của hai trục khác nhau, sẽ đánh giá được vật liệu bị biến dạng và cong như thế nào. Vùng biến dạng được chia thành 3 vùng. Vùng I được gọi là vùng trễ bởi tốc độ dài của con lăn lớn hơn phôi tấm. Hướng của lực ma sát giữa con lăn và phôi tấm cùng chiều với hướng chuyển động của tấm. Vùng II: Tốc độ của tấm chậm hơn con lăn dưới và nhanh hơn con lăn trên. Lực ma sát sinh ra ở bề mặt trên của tấm ngược chiều với hướng chuyển động của tấm, lực ma sát sinh ra ở bề mặt dưới của tấm lại cùng chiều với hướng chuyển động của tấm. Vùng III: Tốc độ dài của con lăn trên và con lăn dưới nhanh hơn tốc độ dài của phôi tấm, nên vùng này được gọi là vùng vượt trước. Lực ma sát giữa con lăn trên và dưới phôi tấm có hướng cùng hướng chuyển động của phôi. Vận tốc dài ở bề mặt phôi tấm tiếp xúc với con lăn dưới lớn hơn bề mặt ngoài của phôi tấm tiếp xúc với con lăn trên. Các kết quả nghiên cứu trong 30, 38, 41, 49, 58, 60, 76, 90, 91 chỉ ra rằng, nếu mức độ biến dạng lớn ví dụ khi cán tấm nóng, 3 vùng này sẽ có sự phân biệt rõ ràng, nhưng nếu mức độ biến dạng nhỏ thì có thể coi như đây là một vùng biến dạng 24, 52, 73, lực ma sát giữa phôi và con lăn dưới cùng chiều với chiều chuyển động của phôi tấm, trong khi đó lực ma sát giữa phôi và con lăn trên lại ngược chiều với chiều chuyển động của phôi. Trên cơ sở phân tích chiều của lực ma sát, có thể nhận thấy phôi tấm sẽ bị cong lên trên bởi lực ma sát sẽ sinh ra một mô men uốn phôi quanh tâm của trục con lăn trên. Các kết quả nghiên cứu trong các công trình 24, 29, 30, 34, 38, 41, 42, 49, 55, 58, 60, 76, hầu hết đều chỉ ra lực khi lăn ép là yếu tố quan trọng tạo ra biến dạng của tấm, làm tấm giảm chiều dày khi qua khe hở giữa hai con lăn. Phôi tấm bị cong sau khi lăn ép có thể do nhiều yếu tố như bán kính hai trục, vận tốc góc, ma sát trên trục với phôi kim loại khác nhau, nhưng lực khi lăn ép vẫn là yếu tố cần xác định bởi nó quyết định đến việc tạo ra tấm có biên dạng cong. Lực lăn ép phụ thuộc vào phôi biến dạng, lượng ép, tỷ số vận tốc góc, tỷ số bán kính của các trục 43, 47, 49, 50, 69, 70, 76. Đối với từng loại vật liệu, có thể xác định được mối quan hệ giữa lực và mức độ biến dạng dựa trên mô hình bài toán và đường cong chảy của vật liệu 60, 61, 62, 74, 76, 84. Trường hợp 2 con lăn giống nhau về đường kính, lực lăn ép giảm đi khi vận tốc của trục dưới lớn hơn trục trên (hình 1.12). Phân bố áp lực trên chiều dài cung tiếp xúc cũng phụ thuộc vào tỷ số giữa tốc độ của hai trục lăn. Khi tốc độ 2 trục lăn bằng nhau, phân bố áp lực trên cung tiếp xúc được thành 2 vùng, Khi tỉ số tốc độ hai trục lăn tăng lên, áp lực phân bố sẽ tách ra làm 3 vùng (hình 1.13). Như vậy, yếu tố vận tốc cũng rất cần được xem xét vì chúng có ảnh hưởng đến lực lăn ép và là một trong những yếu tố tạo biến dạng cong cho tấm.15 Tốc độ lăn ảnh hưởng đáng kể đến biến dạng phôi kim loại và phân bố ứng suất, biến dạng trong phôi, đặc biệt khi tạo hình ở trạng thái nóng. Trong biến dạng nguội, tốc độ không ảnh hưởng nhiều đến trạng thái ứng suất của phôi, nhưng cũng cần được xem xét bởi khi hai con lăn có bán kính khác nhau, sẽ làm cho vận tốc dài trên hai bề mặt phôi tiếp xúc với hai trục lăn khác nhau và đây là nguyên nhân gây nên biến dạng không đồng đều trên phôi 24, 52, 72, 73, 82. Nghiên cứu của các tác giả 36,52, 60, 68 chỉ ra biến dạng dẻo thường ở bề mặt trên và dưới của tấm và là nhân tố chủ yếu tạo ra độ cong. Lực, moment và áp lực tác động lên trục sẽ giảm khi tỉ số vận tốc góc tăng lên. Chiều dài vùng biến dạng tăng lên cùng với tỉ số vận tốc. Tuy nhiên, vùng biến dạng không nhất thiết dẫn tới sự tăng độ cong tấm. Độ cong tấm cũng phụ thuộc vào chiều dày tấm ban đầu, mức độ ép. Thông thường, tấm sẽ uốn cong theo bề mặt có mức độ biến dạng dẻo nhỏ hơn. Biến dạng dẻo phụ thuộc vào vận tốc góc, yếu tố hình dạng và điều kiện ma sát trên bề mặt tiếp xúc. Sự không đồng đều của vận tốc góc của trục lăn dẫn đến phân bố ứng suất pháp và ứng suất tiếp, chiều dài vùng biến dạng, độ cong của tấm thay đổi. Lực và moment giảm đi khi tăng các tỉ số vận tốc góc của con lăn dưới và con lăn trên. Sự chênh lệch vận tốc góc giữa 2 trục sẽ làm cho ma sát và chiều dài cung tiếp xúc thay đổi và làm tăng bán kính cong của sản phẩm tấm. Độ cong tấm phụ thuộc vào sự phân bố biến dạng trên tấm. Hình 1.12 Lực phụ thuộc vào tỷ số v2v1 76 Hình 1.13 Phân bố áp lực lăn trên cung tiếp xúc tỷ số tốc độ thay đổi 34,7616 Lực ma sát phụ thuộc vào phân bố áp lực trên bề mặt tiếp xúc giữa phôi và trục lăn, trạng thái bề mặt phôi cũng như bề mặt trục lăn. Lực ma sát có ảnh hưởng đến lực lăn ép. Khi hai trục có hình dạng, bán kính khác nhau sẽ làm cho lực ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa phôi với hai trục cũng không giống nhau 31, 32, 34, 47. Các công trình nghiên cứu này đưa ra một giả định coi trục lăn là cứng tuyệt đối và chỉ có phôi tấm biến dạng dẻo trong quá trình tạo hình. Ứng suất phân bố đều trên bề mặt tiếp xúc, hệ số ma sát coi như hằng số, thì chiều dài cung tiếp xúc giữa phôi và hai trục khác nhau bởi hai trục có bán kính khác nhau nên tổng lực ma sát và mức độ biến dạng của tấm ở biên trên và dưới là khác nhau. Các nghiên cứu trong tài liệu 21, 24, 30, 31, 32, 33, 36, 44, 50, 62, 77 cho rẳng, khi mức độ biến dạng nhỏ, có thể đơn giản mô hình khảo sát bằng cách coi hệ số ma sát là không đổi. Như vậy, tấm sẽ bị cong do tính không đối xứng của mô hình lăn ép. Bán kính cong của tấm chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau : độ dày phôi tấm, mức độ biến dạng, bán kính trục cán và hệ số ma sát của trục cán trên và dưới (µ1 và µ2). Các kết quả nghiên cứu đều dựa trên cơ sở nếu µ1 = µ2 thì phôi tấm sẽ đi thẳng sau khi ra khỏi khe hở giữa hai trục lăn. Khi µ1 µ2, phôi cán sẽ bị uốn cong khi qua khe hở cán. Bán kính cong của tấm có thể thay đổi khi hệ số ma sát tiếp xúc giữa phôi và con lăn, tỉ số hệ số ma sát thay đổi (hình 1.14). Hình 1.14 Tấm cong khi hệ số ma sát giữa phôi với hai trục lăn khác nhau 32 Các kết quả nghiên cứu trong 32, 37 về bán kính cong của tấm đạt được khi thay đổi tỷ số hệ số ma sát, mức độ ép, bán kính trục và chiều dày phôi tấm đã chỉ ra rằng, mức độ ép tỉ lệ nghịch với bán kính cong của sản phẩm, bán kính trục chỉ có tác dụng khi tỷ số ma sát lớn, phôi càng dày sẽ càng khó khăn cho việc tạo bán kính cong (hình 1.15, hình 1.16, hình 1.17).17 a) Mức độ ép 10% b) Mức độ ép 15% c) Mức độ ép 20% Hình 1.15 Ảnh hưởng của mức độ ép tới bán kính cong của tấm khi tỷ số hệ số ma sát con lăn trên và con lăn dưới (µ2µ1) thay đổi 32 a) Bán kính trục cán 850 b) Bán kính trục cán 900 c) Bán kính trục cán 950 Hình 1.16 Ảnh hưởng của bán kính trục cán đến bán kính cong của sản phẩm 32 a) Chiều dày 9 mm b) Chiều dày 12 mm c) Chiều dày 15 mm Hình 1.17 Sự thay đổi của bán kính cong với chiều dầy và hệ số ma sát khác nhau 32 Biến dạng ở trạng thái nóng thường chỉ sử dụng để tạo hình các chi tiết dạng vành rộng. Chi tiết sẽ có bán kính tăng dần trong quá trình lăn ép khi tấm bị mỏng đi. Nhiệt độ là một trong những yếu tố quan trọng có ảnh hưởng đến lực, trạng thái tiếp xúc giữa phôi và trục. Trong biến dạng nóng, qui luật ma sát tuân theo định luật Tresca 22, 29, 63, 64, 90. Khi biến dạng ở trạng thái nguội, qui luật ma sát tuân theo cả định luật Culông. Trong18 các tài liệu 30, 34, 36, 44, 77 đều nhận định, khi lăn ép phôi tấm ở trạng thái nguội, không bôi trơn, bề mặt của trục và phôi nhẵn, có thể chọn hệ số ma sát từ 0,095 đến 1,06. Nhiều tác giả 42, 54, 55, 56, 68, 69, 80 đã áp dụng mô hình giải tích để xác định lực ép phụ thuộc vào mức độ ép, tỉ số tốc độ trục lăn, tỉ số ma sát lên 2 trục với phôi hay tỉ số bán kính của 2 trục lăn. Tuy nhiên mô hình giải tích áp dụng cho bài toán lăn không đối xứng chỉ có thể xét tại một mặt cắt, không khảo sát được với mô hình 3D. Hơn nữa, để có thể giải được các phương trình vi phân, cần đơn giản hoá điều kiện biên của bài toán, chính vì vậy kết quả tính toán giải tích có thể chỉ áp dụng hiệu quả trong trường hợp uốn lốc, hay lăn ép trên hai trục có biên dạng hình trụ. Một số tác giả 45, 47, 53, 78, 81, 89, 91 nghiên cứu quá trình lăn ép với mức độ biến dạng lớn bằng thực nghiệm, với mục đích để xem xét sự phá huỷ của tấm khi có sự chênh lệch lớn về mức độ biến dạng giữa mặt dưới và mặt trên của phôi. Các tài liệu kết luận rằng với mức độ ép trên 40 % mới có thể xuất hiện vết nứt tế vi trong vật liệu. Một số tác giả 35, 38, 40 đề xuất ứng dụng mô phỏng số để nghiên cứu quá trình tạo hình, nhưng kết quả ban đầu chỉ đưa ra khả năng ứng dụng công nghệ cho các bài toán cán không đối xứng. Lĩnh vực phát triển thiết bị và tự động hoá cũng được các tác giả 75, 79 đề cập đến. Thiết bị hiện nay có nhiều hãng cung cấp các hệ thống máy và hệ thống tự động bài bản. Tuy nhiên, việc thiết kế hệ thống sản xuất cần có các kết quả nghiên cứu về công nghệ để thiết kế máy và hệ thống tự động phù hợp hơn. Như vậy, qua tìm hiểu các công trình nghiên cứu trên thế giới, có thể thấy rằng việc tạo ra bán kính cong của sản phẩm sau khi lăn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như lực ép, mức độ biến dạng, ma sát tiếp xúc giữa phôi và các trục lăn, vận tốc góc của trục lăn và cả chiều dày của tấm. 1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc Công nghệ tạo hình các chi tiết vỏ từ tấm dày chủ yếu được thực hiện ở các doanh nghiệp sản xuất, trong các trường đại học và các viện nghiên cứu rất ít đề cập đến công nghệ tạo hình các chi tiết tấm dày có kích thước lớn. Các nhà kỹ thuật ở Việt Nam chủ yếu công bố các kết quả nghiên cứu tạo hình các chi tiết tấm mỏng bằng phương pháp dập tấm. Tạo hình các chi tiết tấm dày chủ yếu được thực hiện ở doanh nghiệp bằng công nghệ uốn tự do kết hợp với gia công nhiệt cục bộ để tạo biên dạng cong, sau đó ghép các chi tiết nhỏ bằng phương pháp hàn để tạo thành tấm vỏ cỡ lớn,

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

Thông tin tài liệu

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan