nghiên cứu và chế tạo máy tạo hình nhiệt thép tấm bằng cảm ứng trong công nghiệp đóng tàu thủy

Cuộn dây cảm ứng có hình dạng khác nhau tùy thuộc vào hình dạng của vật cần nung nóng trong trường hợp này là thép cacbon-có trở kháng cao, được kết nối với nguồn điện cung cấp.. Chính t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY TẠO HÌNH NHIỆT THÉP TẤM BẰNG CẢM ỨNG TRONG

CÔNG NGHIỆP ĐÓNG TÀU THỦY

MÃ SỐ: B2010-22-54

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2011

S 0 9

S KC 0 0 3 2 1 4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Trường Thịnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY TẠO HÌNH NHIỆT THÉP TẤM BẰNG CẢM ỨNG TRONG

CÔNG NGHIỆP ĐÓNG TÀU THỦY

Mã số: B2010-22-54

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên)

TP.HCM, 7/2011

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA ĐỀ TÀI

VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Tên đề tài:

Nghiên cứu và chế tạo máy tạo hình nhiệt thép tấm bằng cảm ứng trong công nghiệp đóng tàu thủy

Mã số: B2010-22-54

Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Trường Thịnh

Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Cơ quan và các cá nhân phối hợp thực hiện:

Cơ quan phối hợp chính

Tên đơn vị phối hợp Nội dung phối hợp nghiên cứu

Đại học Quốc Gia Chonnam- Hàn

Quốc

Kết hợp nghiên cứu và thiết kế bộ tạo nhiệt

bằng cảm ứng điện trường

Các cá nhân phối hợp thực hiện

Họ và tên Đơn vị công tác và

lĩnh vực chuyên môn

Nội dung nghiên cứu cụ thể được giao

Nguyễn Ngọc Phương ĐHSPKT Tp.HCM Thiết kế bộ phận điều khiển máy

Nguyễn Minh Khai ĐH Chonnam Thiết kế bộ phận cảm ứng

Tưởng Phước Thọ ĐHSPKT Tp.HCM Thiết kế bộ phận truyền động bộ

phận cơ khí

Nguyễn Xuân Quang ĐHSPKT Tp.HCM Thiết kế phần mềm

Đường Minh Hiếu ĐHSPKT Tp.HCM

– P QLKH

Thư ký đề tài

Thời gian thực hiện: 03/2010 đến 10/2011

MỤC LỤC

Trang bìa i

Trang bìa phụ ii

Danh sách các thành viên tham gia và đơn vị phối hợp thực hiện iii

Mục lục iv

Danh mục hình vẽ ix

Danh mục bảng biểu xiv

Thông tin kết quả nghiên cứu xv

Tóm tắt đề tài xvii

Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 1

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1

1.2.1 Nước ngoài 1

1.2.1.1 Uốn tấm thép trên máy cán thép nhiều trục……… 2

1.2.1.2 Uốn tấm thép trên máy ép……… 3

1.2.1.3 Uốn tấm bằng phương pháp thủ công………4

1.2.1.4 Uốn tấm bằng phương pháp gia nhiệt cảm ứng……….5

1.2.2 Trong nước……… 6

1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI……… 7

1.4 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU………7

PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1 ĐẦU NUNG CẢM ỨNG TỪ 8

2.1.1 Giới thiệu hiện tượng cảm ứng điện từ 8

2.1.1.1 Nguồn gốc 8

2.1.1.2 Cảm ứng nhiệt điện từ 9

2.1.1.3 Ứng dụng của nung nóng nhiệt cảm ứng trong công nghiệp 9

2.1.2 Lý thuyết về cảm ứng nhiệt điện từ 10

2.1.2.1 Nguyên lý của cảm ứng nhiệt điện từ 10

2.1.2.2 Sự phân bố của dòng điện trong vật được gia công 14

2.1.2.3 Hiện tượng trao đổi nhiệt trong nung cảm ứng 18

2.1.3 Mô hình toán học của quá trình nung cảm ứng nhiệt 21

2.1.3.1 Mô hình toán học trường điện từ và trường nhiệt độ 21

2.1.3.2 Mô hình cơ bản của quá trình nung cảm ứng từ 24

2.1.4 Thiết kế nung cảm ứng từ 27

2.1.4.1 Một số yêu cầu về thiết bị dùng trong đầu nung cảm ứng 27

2.1.4.2 Sơ đồ khối hoạt động của hệ thống nung cảm ứng từ 28

2.1.4.3 Các mạch nguyên lý của đầu nung cảm ứng từ 29

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHẦN CƠ KHÍ GIA CÔNG 2.2.1 Các phương án di chuyển trục toạ độ 34

2.2.1.1 Phương án phôi cố định 34

2.2.1.2 Phương án phôi di chuyển trên một trục 34

2.2.1.3 Phương án phôi di chuyển trên hai trục 35

2 2.1.4 Lựa chọn phương án di chuyển tối ưu 36

2.2.2 Lựa chọn cơ cấu truyền động 36

2.2.2.1 Vít me - đai ốc 36

2.2.2.2 Bộ truyền bánh răng 38

2.2.3 Bộ dẫn hướng 39

2.2.3.1 Dẫn hướng bằng rãnh mang cá 39

2.2.3.2 Dẫn hướng bằng thanh trượt 39

2.2.4 Mô phỏng kết cấu hệ thống bằng phần mềm ABAQUS 6.5.1 41

2.2.4.1 Các số liệu dùng để tính toán 41

2.2.4.2 Kết quả mô phỏng ứng suất và chuyển vị của máy 43

2.2.5 Tính toán thông số các bộ truyền 56

2.5.1 Chọn động cơ cho trục Z 56

2.5.2 Chọn động cơ cho trục X 57

2.5.3 Chọn động cơ cho trục Y 58

2.6 Chọn động cơ cho hệ thống 59

CHƯƠNG 3 ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY 2.3.1 Động học của máy 60

2.3.2 Động học nghịch của máy 61

2.3.3 Ma trận Jacobi và động học vận tốc 62

CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY GIA CÔNG 2.4.1 Các thiết bị điện của hệ thống 64

2.4.1.1 Bộ điều khiển trung tâm 64

2.4.1.2 Driver và động cơ (Motor) 64

2.4.1.3 Bơm (Pump) 64

2.4.1.4 Đầu từ (Inductor) 64

2.4.2 Mạch điện hệ thống 65

2.4.3 Sơ đồ đi dây mạch động lực 67

2.4.4 Cấu trúc bộ điều khiển 68

2.4.4.1 Nguyên tắc chung 68

2.4.4.2 Sơ đồ tổng quát về nguyên lý của bộ điều khiển cấp trên 69

2.4.2 Nội suy 71

2.4.2.1 Giới thiệu 71

2.4.2.2 Phương pháp xác định quỹ đạo 72

2.4.2.3 Giải thuật nội suy cho quá trình gia công 74

2.4.3 Thiết kế bộ điều khiển 78

2.4.3.1 Tổng quan về mạch điều khiển 78

2.4.3.2 Giới thiệu vi điều khiển 79

2.4.3.3 Các chức năng của hai vi điều khiển sử dụng trong đồ án 79

2.4.3.4 Mạch nguyên lý 87

2.4.4 Sự phân chia nhiệm vụ của phần mềm, vi điều khiển trong hệ thống 88

2.4.4.1 Phần mềm máy tính 88

2.4.4.2 Phần mềm của vi điều khiển chủ 88

2.4.4.3 Vi điều khiển tớ 88

2.4.5 Phần mềm máy tính 88

2.4.5.1 Nhiệm vụ chung 88

2.4.5.2Chuẩn bị dữ liệu nội suy cho quá trình gia công 89

2.4.5.3 Các nút điều khiển khác 89

2.4.6 Phần mềm của vi điều khiển chủ 92

2.4.6.1 Nhiệm vụ chính 92

2.4.6.2 Chức năng điều khiển quá trình gia công 93

2.4.6.3 Chức năng di chuyển bàn máy bằng tay (Jog) 93

2.4.6.4 Chức năng điều khiển trở về vị trí Home 93

2.4.6.5 Chức năng dừng chương trình gia công 93

2.4.7 Phần mềm của vi điều khiển tớ 94

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 2.5.1 Máy biến dạng thép ứng dụng từ trường 95

2.5.2 Giao diện chính của máy 98

2.5.3 Sản phẩm thực nghiệm 99

2.5.3.1 Tấm thép 1: 500 x 400 x 10mm 100

2.5.3.2 Tấm thép 2: 500 x 500x10 mm 101

2.5.3.3 Tấm thép 3: 500 x 500 x10 mm 103

2.5.3.4 Tấm thép 4: 500 x 400 x 20 mm 104

2.5.3.5 Tấm thép 5: 500 x 500 x10 mm 106

2.5.3.6 Tấm thép 6: 500 x 500 x 10 mm 107

2.5.4 Kết luận 110

2.5.5 Đề nghị và hướng phát triển 110

Tài liệu tham khảo 111

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Biên dạng cong của tấm thép vỏ tàu 1

Hình 1.2 Biên dạng của tấm thép lắp ghép tạo thành vỏ tàu 2

Hình 1.3 Máy cán kín của hãng QFI – Mỹ 2

Hình 1.4 Máy cán hở của hãng MG – Italia 3

Hình 1.5 Máy ép thủy lực một trụ của hãng WETORI – Taiwan 3

Hình 1.6 Máy ép thủy lực bốn trụ của hãng KRR - Ấn Độ 4

Hình 1.7 Những dụng cụ dùng trong việc uốn tấm bằng phương pháp thủ công 4

Hình 1.8 Uốn vỏ tàu bằng đầu đốt khí oxy – axetylen 5

Hình 1.9 Bệ dùng để uốn nóng bằng phương pháp thủ công 5

Hình 1.10 Định hình thép tấm bằng phương pháp đường nhiệt 6

Hình 2.1.1 Thí nghiệm định luật cảm ứng của Faraday 8

Hình 2.1.2 Một số ứng dụng nung cảm ứng từ trong công nghiệp 10

Hình 2.1.3 Cuộn dây cảm ứng với từ trường của nó 10

Hình 2.1.4 Dòng điện xoáy sinh ra trong một vật dẫn khi đặt trong từ trường thay đổi 11

Hình 2.1.5 Hình dáng đầu gia nhiệt và thép tấm được dùng trong đề tài 11

Hình 2.1.6 Ảnh hưởng của trễ từ đến đường công suất nhiệt 14

Hình 2.1.7 Chiều sâu thấm của dòng điện trong thép 15

Hình 2.1.8 Cường độ dòng điện và cường độ từ trường là một hàm của chiều sâu d 15 Hình 1.9 Hiệu ứng cảm ứng điện từ dọc biên 17

Hình 2.1.10 Sơ đồ hoạt động của hệ thống nung cảm ứng từ 29

Hình 2.1.11 Khối nguồn 1 29

Hình 2.1.12 Khối nguồn 2 30

Hình 2.1.13 Dạng ngõ ra điện áp sau khi qua chỉnh lưu 30

Hình 2.1.14 Khối nguồn 3 31

Hình 2.1.15 Khối tạo xung 32

Hình 2.1.16 Mạch công suất 1 32

Hình 2.1.17 Mạch công suất 2 33

Hình 2.1.18 Mạch cộng hưởng L-C 33

Hình 2.2.1 Phương án phôi cố định 34

Hình 2.2.2 Phương án phôi đặt lên bàn trượt theo một trục 35

Hình 2.2.3 Phương án phôi đặt lên bàn trượt theo hai trục 35

Hình 2.2.4 Bộ truyền vít me – đai ốc có rãnh hồi bi dạng ống 37

Hình 2.2.5 Một số bộ truyền bánh răng thông dụng 38

Hình 2.2.6 Rãnh mang cá 39

Hình 2.2.7 Thanh trượt 39

Hình 2.2.8 Sơ đồ động của máy 40

Hình 2.2.9 Sơ đồ lắp ráp của hệ thống 41

Hình 2.2.10 Ứng suất của toàn máy 44

Hình 2.2.11 Chuyển vị theo phương X 44

Hình 2.2.12 Chuyển vị theo phương Y 45

Hình 2.2.13 Chuyển vị theo phương Z 45

Hình 2.2.14 Ứng suất của chữ I 1 46

Hình 2.2.15 Chuyển theo phương X và phương Y 46

Hình 2.2.16 Chuyển vị theo phương Z 46

Hình 2.2.17 Bánh lăn trong thực tế 47

Hình 2.2.18 Ứng suất của bánh lăn 47

Hình 2.2.19 Chuyển theo phương X và phương Y 48

Hình 2.2.20 Trục trong thực tế 48

Hình 2.2.21 Ứng suất của trục 48

Hình 2.2.22 Chuyển vị theo phương X 49

Hình 2.2.23 Chuyển vị theo phương Y 49

Hình 2.2.24 Chuyển vị theo phương Z 49

Hình 2.2.25 Tấm đỡ trong thực tế 50

Hình 2.2.26 Ứng suất của tấm đỡ 50

Hình 2.2.27 Chuyển theo phương X, phương Y, phương Z 51

Hình 2.2.28 Thùng đỡ 1 và thùng đỡ 2 trong thực tế 51

Hình 2.2.29 Ứng suất thùng đỡ 1 52

Hình 2.2.30 Chuyển theo phương X, phương Y, phương Z 52

Hình 2.2.31 Ứng suất của thùng đỡ 2 53

Hình 2.2.32 Chuyển theo phương X, phương Y, phương Z 53

Hình 2.2.33 Chữ I 2 trong thực tế 54

Hình 2.2.34 Ứng suất của chữ I 2 54

Hình 2.2.35 Chuyển theo phương X 54

Hình 2.2.36 Chuyển vị theo phương Y 54

Hình 2.2.37 Chuyển vị theo phương Z 55

Hình 2.2.38 Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất và độ dịch chuyển đầu từ 55 Hình 2.3.1 Mô hình hóa máy tạo nhiệt bằng từ trường dưới mô hình robot Decard 60

Hình 2.4.1 Sơ đồ mạch điện hệ thống 65

Hình 2.4.2 Sơ đồ đi dây mạch động lực 67

Hình 2.4.3 Bộ điều khiển robot theo cấu trúc PC-based 68

Hình 2.4.4 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống kết nối điều khiển 69

Hình 2.4.5 Sơ đồ giao tiếp điều khiển giữa Host Controller và XYZ Controller 69

Hình 2.4.6 Sơ đồ giao tiếp điều khiển giữa XYZ Controller và AC Servo Driver 70

Hình 2.4.7 Sơ đồ khối dành cho điều khiển vị trí của Servo driver 70

Hình 2.4.8 Khái niệm cơ bản của bộ nội suy 71

Hình 2.4.9 Nội suy bậc thang 72

Hình 2.4.10 Nội suy dây cung 73

Hình 2.4.11 Sơ đồ tổng quan của mạch điều khiển 78

Hình 2.4.12 Các mức Logic của cổng RS232 81

Hình 2.4.13 Sơ đồ chân cổng COM máy tính 81

Hình 2.4.14 Sơ đồ giao tiếp 1 master, 1 slave 82

Hình 2.4.15 Sơ đồ giao tiếp một master với nhiều Slave 83

Hình 2.4.16 Sơ đồ truyền SPI 84

Hình 2.4.17 Trình tự truyền SPI 84

Hình 2.4.18 Mạch nguyên lý vi điều khiển chủ và cổng truyền thông RS232 85

Hình 2.4.19 Mạch nguyên lý vi điều khiển tớ điều khiển trục X 85

Hình 2.4.20 Mạch nguyên lý vi điều khiển tớ điều khiển trục Y 86

Hình 2.4.21 Mạch nguyên lý vi điều khiển tớ điều khiển trục Z 86

Hình 2.4.22 Mạch nguyên lý đầu vào công tắc hành trình và tín hiệu điều khiển 87

Hình 2.4.23 Mạch nguyên lý đầu vào tín hiệu xung Index từ AC Driver Servo 87

Hình 2.4.24 Giao diện chương trình điều khiển máy phay CNC 93

Hình 2.5.1 Mặt trước của máy 95

Hình 2.5.2 Mặt sau của máy 95

Hình 2.5.3 Tủ điện và bảng điều khiển 96

Hình 2.5.4 Đồ thị đáp ứng vận tốc của động cơ các trục 98

Hình 2.5.5 Giao diện chính của chương trình điều khiển 98

Hình 2.5.6 Đo độ biến dạng thép tấm trên máy CMM 99

Hình 2.5.7 Quỹ đạo của đầu từ 100

Hình 2.5.8 Hình dạng tấm thép 1 sau gia công 100

Hình 2.5.9 Hình dạng của tấm thép 1 mô phỏng trên máy tính 101

Hình 2.5.10 Quỹ đạo của đầu từ 101

Hình 2.5.11 Hình dạng tấm thép 2 sau gia công 102

Hình 2.5.12 Hình dạng của tấm thép 2 mô phỏng trên máy tính 102

Hình 2.5.13 Quỹ đạo của đầu từ 103

Hình 2.5.14 Hình dạng tấm thép 3 sau gia công 103

Hình 2.5.15 Hình dạng của tấm thép 3 mô phỏng trên máy tính 104

Hình 2.5.16 Quỹ đạo của đầu từ 104

Hình 2.5.17 Hình dạng tấm thép 4 sau gia công 105

Hình 2.5.18 Hình dạng của tấm thép 4 mô phỏng trên máy tính 105

Hình 2.5.19 Hình dạng tấm thép 4 sau gia công 106

Hình 2.5.20 Hình dạng tấm thép 5 sau gia công 106

Hình 2.5.21 Hình dạng của tấm thép 5 mô phỏng trên máy tính 107

Hình 2.5.22 Quỹ đạo của đầu từ 107

Hình 2.5.23 Hình dạng tấm thép 6 sau gia công 108

Hình 2.5.24 Hình dạng của tấm thép 6 mô phỏng trên máy tính 108

Hình 2.5.25 Biến dạng của tấm thép 6 theo phương đứng 109

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.2.1 Khối lượng của các chi tiết trong máy 42

Bảng 2.2.2 Cơ tính của các loại thép 42

Bảng 2.2.3 Môdun đàn hồi của một số loại vật liệu 43

Bảng 2.2.4 Thông số bộ động cơ servo HA-FE 23 59

Bảng 2.3.1 Bảng tham số Denavit – Hatenberg 60

Bảng 2.4.1 Mô tả các chân cổng COM máy tính 82

Bảng 2.5.1 Các thông số công nghệ máy 97

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu và chế tạo máy tạo hình nhiệt thép tấm bằng cảm ứng

trong công nghiệp đóng tàu thủy

- Mã số: B2010-22-54

- Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Trường Thịnh Tel: 0903.675.673

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

- Thời gian thực hiện: 03/2010 đến 10/2011

2 Mục tiêu:

Đề xuất một phương pháp tạo hình nhiệt thép tấm sử dụng từ trường tần số cao để đốt nóng, dựa trên nguyên lý cảm ứng điện trường xuất phát từ năng lượng hấp thụ điện từ xoay chiều trên tấm thép

Tự động hóa quá trình biến dạng thép tấm dày, kích thước lớn có thể sử dụng trong các nhà máy đóng tàu

Việc sử dụng công nghệ mới này có thể giúp nâng cao chất lượng cũng như năng suất, hiệu quả kinh tế trong công nghiệp đóng tàu hoặc công nghiệp chế tạo các thiết bị công nghiệp

3 Tính mới và sáng tạo:

Việc sử dụng phương pháp tạo hình nhiệt dựa trên nguyên lý cảm ứng điện trường cho phép kiểm soát công suất và sự phân bố nguồn nhiệt dễ dàng, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm Đồng thời việc tích hợp thiết bị tạo nhiệt vào hệ thống robot để tự động hoá sẽ làm tăng năng suất quá trình gia công

4 Kết quả nghiên cứu:

- Báo cáo tổng quan về quá trình tạo hình bằng nhiệt bằng cảm ứng điện trường

- Đầu tạo nhiệt bằng cảm ứng

- Máy điều khiển chương trình số di chuyển đầu tạo hình nhiệt kết nối với máy tính

- Phần mềm điều khiển máy

5 Sản phẩm:

- Máy tạo hình nhiệt bằng cảm ứng

- Đầu tạo nhiệt bằng cảm ứng điện từ

- Phần mềm điều khiển máy tạo hình nhiệt bằng cảm ứng

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

Trong chiến lược phát triển của Việt Nam đến 2020, ngành đóng tàu được coi là một trong những ngành quan trọng nhất của công nghiệp hàng hải Trong đó quá trình biến dạng thép tấm làm vỏ tàu là khâu rất quan trọng quyết định tới chất lượng thân tàu Do đó, khả năng ứng dụng của đề tài vào thực tiễn là rất lớn, giúp tăng năng suất

và chất lượng vỏ tàu

Coordinator: Nguyen Truong Thinh

Implementing Institution: University of Technical Education Ho Chi Minh City

Duration: from 03/2010 to 10/2011

2 Objectives:

- Giving a methodology of thermal forming of steel plates that uses the high frequency magnetic field to heat, based on the principle of electromagnetic induction form absorb energy of alternative electromagnet in the steel plate

- Automating the process of deformation of thickness and large size steel plate, thus it can be used in the shipyard

- Using this new method can improve quality, productivity, economic efficiency in the ship building industry or manufacturing the industrial equipment

3 Creativeness and innovativeness:

Using this method allow us to easily control the power and heat distribution, thus the product quality will be increased Besides that, integrating the inductor into the automatic system will increase productivity

4 Research results:

The group of research has designed and developed the numerical thermal deforming the steel plates based on principle of electromagnetic induction and design the control software to move inductor accord with user’s commands The machine with the approciate size can be used in shipbuilding industry

5 Products:

- Machine of deforming of steel plate

- Inductor

- The monitoring and processing software

6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

In the development strategy of Vietnam from now to 2020, the shipyard is one of the most important one of the maritime industries The steel forming process in shipyard is considered as an important stage with respect to productivity and precision

of curved plates Therefore, this methodology can be widely applied to shipyard industry

để tạo hiệu quả và tăng độ chính xác của các bề mặt cong của tấm thép ghép nối

Có 2 kiểu nguồn nhiệt được sử dụng trong quá trình biến dạng nhiệt: đầu đốt Oxy-axetylen và đầu cảm ứng từ Trong đề tài này, một quá trình biến dạng nhiệt mới được đề xuất để bẻ cong tấm thép dày Quá trình tạo nhiệt cảm ứng từ có những ưu điểm là công suất nhiệt và sự phân bổ nhiệt dễ dàng tạo ra và điều khiển Bên cạnh đó

hệ thống cảm ứng từ có thể được tích hợp với robot hoặc máy CNC để tự động hoá Quá trình tạo nhiệt này có thể điều khiển được nhiệt độ trên chi tiết gia công Khi quá trình nhiệt cảm ứng từ được hỗ trợ bởi các thiết bị di chuyển tự động và giải thuật tạo đường đi thì hiệu quả quá trình biến dạng thép sử dụng trong công nghiệp đóng tàu sẽ được cải thiện đáng kể Quá trình này là một trong những quá trình sản xuất quan trọng để có thể ứng dụng rộng rãi tạo ra những bề mặt cong trong công nghiệp đóng tàu

Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU:

Trong các nhà máy đóng tàu hiện nay, hầu hết việc tạo hình vỏ tàu đều sử dụng đầu đốt oxy – axetylen (hàn gió đá) để biến dạng nhiệt tấm thép dày Bên cạnh đó việc tạo quỹ đạo đường đi của đầu tạo nhiệt hoàn toàn dựa trên kinh nghiệm của người thợ Do

đó quá trình này hiện nay không đảm bảo tạo bề mặt cong chính xác do việc điều khiển hầu như phụ thuộc vào kinh nghiệm có được từ bản thân người thợ Quá trình này là quá trình thử sai, do đó nó không tiết kiệm được thời gian cũng như tiền bạc, nâng cao giá thành sản xuất các thiết bị

Phương pháp tạo hình bằng cảm ứng điện trường là một phương pháp mới đang được bắt đầu ứng dụng trong các nhà máy đóng tàu trên thế giới Các nghiên cứu hiện nay trên thế giới đều tập trung vào việc thiết kế và tính toán biến dạng của tấm thép trong quá trình định dạng mà chưa đi sâu nghiên cứu việc thiết kế tối ưu đầu tạo nhiệt cũng như việc tiên đoán đường di chuyển của nó

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC :

1.2.1 Nước ngoài

Một bộ phận lớn các chi tiết kết cấu thân tàu thủy đòi hỏi phải xử lý uốn trước khi lắp ghép thành phân đoạn, tổng đoạn hay trực tiếp lên thân tàu Quá trình tạo hình tấm thép trong ngành đóng tàu là một giai đoạn khá quan trọng Có thể điểm qua các kiểu

biên dạng tấm vỏ tàu như Hình 1.1 và Hình 1.2

Hình 1.1 Biên dạng cong của tấm thép vỏ tàu.[1]

a Cong hình chóp nón b.Gấp khúc

c Cong lượn sóng d.Cong hai chiều về một phía

e Cong hai chiều về một phía f.Cong hai chiều về hai phía

Hình 1.2 Biên dạng của tấm thép lắp ghép tạo thành vỏ tàu.[1]

Hiện nay, ngành công nghệ đóng tàu trên thế giới sử dụng các phương pháp tạo hình thép tấm như sau:

1.2.1.1 Uốn tấm thép trên máy cán nhiều trục

Trong các xưởng đóng tàu trên thế giới, thường sử dụng các loại máy cán chính sau

a Máy cán kín

Là loại máy vững chắc, có chiều dài làm việc của trục cán từ 8 ÷ 15m, có thể cán

tấm dày từ 25 ÷ 30mm, tùy thuộc vào độ lớn của trục cán Máy cán kín (Hình 1.3)

thường được dùng để cán các tấm tôn bao mạn và boong tàu vì hạn chế của nó là chỉ cán tới góc 1800

Hình 1.3 Máy cán kín của hãng QFI – Mỹ.[1]

b Máy cán hở

Cho khả năng nâng một đầu trục và tháo một trong hai ổ đỡ đầu trục, khi cần thiết

lấy một vật được cuốn tròn ra (Hình 1.4) Do đó, phạm vi sử dụng của máy cán hở so

với máy cán kín được mở rộng hơn, bên cạnh đó do cách bố trí trục cán nên có thể sử

dụng máy cán hở vào việc uốn tròn, uốn hình côn, làm phẳng, đồng thời cũng có thể

dùng gấp mép tấm

Hình 1.4 Máy cán hở của hãng MG – Italia.[1]

1.2.1.2 Uốn tấm thép trên máy ép

Đối với các tấm có đường cong phức tạp thường được uốn trên máy ép bằng các chày và khuôn mẫu chuyên dụng Đối với các máy vạn năng, có thể uốn được nhiều hình dạng tấm thép khác nhau Để uốn các tấm có biên dạng phức tạp (cong hai chiều), người ta có thể thực hiện uốn hỗn hợp trên máy cán và máy ép: trên máy cán, uốn sơ

bộ để đạt độ cong một chiều lớn, còn trên máy ép, uốn độ cong nhỏ còn lại

Máy ép uốn tấm ngày nay thường dùng nhất là loại máy ép một trụ hay bốn trụ như

Hình 1.5 và Hình 1.6

Hình 1.5 Máy ép thủy lực một trụ của hãng WETORI – Taiwan.[1]

Hình 1.6 Máy ép thủy lực bốn trụ của hãng KRR - Ấn Độ.[1]

1.2.1.3 Uốn tấm bằng phương pháp thủ công

a Uốn tấm bằng phương pháp đánh búa

Là phương pháp uốn tấm vỏ tàu bằng cách vạch dấu, sau đó sử dụng búa và các công cụ hỗ trợ để tạo biên dạng tấm thép Là phương pháp có thể thực hiện đối với các biên dạng tấm một hay hai chiều Các dụng cụ dùng trong uốn tấm thép được mô tả

như Hình 1.7

Hình 1.7 Những dụng cụ dùng trong việc uốn tấm bằng phương pháp thủ công

a.Búa tròn b.Búa đầu dẹt c.Kẹp vận chuyển d.Chìa vặn e.Vít định vị

f.Càng giữ tấm g.Tấm đệm h.Càng đệm i.Đòn tay dài k.Đòn tay ngắn

b Uốn tấm bằng đầu đốt khí Oxy - axetylen

Uốn tấm bằng phương pháp dùng đầu đốt khí oxy - axetylen hay còn gọi là phương pháp hỏa công ở Việt Nam, là phương pháp sử dụng nguồn nhiệt của đầu đốt khí oxy – axetylen để đốt nóng vùng chi tiết cần uốn đến gần nhiệt độ nóng chảy của kim loại,

rồi sau đó ta dùng nước tưới vào vùng chi tiết vừa đốt nóng đó, ( Hình 1.8) Sự thay

đổi đột ngột của nhiệt độ, sẽ tạo nên ứng suất dư tại vùng chi tiết bị đốt nóng, làm cho vùng chi tiết đó bị uốn cong Biên dạng cần tạo của vỏ tàu tùy thuộc vào nhiệt độ được cung cấp cho vùng chi tiết Chất lượng tạo hình bề mặt cũng như biên dạng của tấm thép phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề của người thợ

Hình 1.8 Uốn vỏ tàu bằng đầu đốt khí oxy – axetylen

c Uốn nóng tấm

- Phương pháp uốn nóng tấm được sử dụng trong trường hợp trong xưởng không

có các máy cán hoặc máy ép hay các tấm quá dày hay các tấm có biên dạng quá phức tạp

- Vật liệu được nung nóng đến 10000C trong lò nung có kích thước tùy thuộc vào

độ lớn của tấm, sau đó tấm được đưa lên bệ khung hay bệ đặc để rèn thủ công hoặc

đưa lên bàn ép để ép bằng máy thủy lực như Hình 1.9

a Bệ đặc b Bệ khung

Hình 1.9 Bệ dùng để uốn nóng bằng phương pháp thủ công

1.2.1.4 Uốn tấm bằng phương pháp gia nhiệt cảm ứng

- Là phương pháp thường sử dụng trong công nghiệp đóng tàu để định hình các tấm thép vỏ tàu

- Là phương pháp sử dụng nguồn nhiệt để đốt nóng tấm thép từ dòng điện dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ: khi cho một dòng điện xoay chiều có tần số cao chạy qua một cuộn dây làm việc (cuộn cảm ứng), xung quanh nó sẽ sinh ra một từ trường biến thiên theo thời gian Nếu đặt trong từ trường này một vật dẫn điện (kim loại hay hợp kim) thì trong vật dẫn cũng xuất hiện một dòng điện cảm ứng khép kín gọi là dòng điện xoáy (dòng Foucault) Các dòng điện này có cùng tần số nhưng ngược chiều với dòng điện trong cuộn dây Dòng điện xoáy xoay chiều trên vật cần nung nóng (tấm thép) cũng phát sinh ra từ trường ngược chiều với từ trường chính trong cuộn dây (cuộn cảm ứng) Do hiệu ứng Joule-Lenz, năng lượng của các dòng điện xoáy xoay chiều chuyển hóa thành nhiệt năng nung nóng vật tấm thép [2]

- Là quá trình sản xuất được sử dụng rộng rãi để định hình các tấm thép với chiều dài khác nhau, có thể tạo các bề mặt phức tạp mà không cần sự can thiệp và hỗ trợ các phương pháp gia công cơ khác

- Định hình tấm thép bằng phương pháp đường nhiệt là quá trình bẻ cong tấm thép dưới biến dạng đàn hồi do quá trình làm nóng và nguội liên tục

Hình 1.10 Định hình thép tấm bằng phương pháp đường nhiệt – Công ty công

nghiệp nặng Samsung và Huyndai (Hàn Quốc)

1.2.2 Trong nước

Tại các nhà máy đóng tàu ở Việt Nam, quá trình tạo hình tấm thép vỏ tàu ngoài việc

sử dụng các phương pháp uốn trên máy cán nhiều trục hay uốn trên máy ép, hiện nay

sử dụng phương pháp tạo hình nhiệt - cơ bằng đầu đốt oxy-axetylen đã phổ biến Quá trình biến dạng nhiệt này được sử dụng là do thiết bị có giá thành rẻ, tuy nhiên nó phụ thuộc vào kỹ năng của người thợ khi điều chỉnh độ cong của tấm thép theo ý muốn, mặt khác lượng nhiệt sinh ra trong quá trình đốt hỗn hợp khí oxy-axetylen không dễ dàng kiểm soát đặc tính tạo nhiệt từ quá trình phản ứng cháy và về mặt thẩm mỹ cũng như vệ sinh thì gia công bằng đầu đốt oxy-acetylene, đốt nóng trực tiếp bề mặt chi tiết, đồng thời làm nguội nhanh bằng nước nên bề mặt chi tiết dơ bẩn Trong khi đó, đối với các loại tàu công suất lớn, vỏ tàu có bề dày lớn thì việc gia công vỏ tàu đòi hỏi cần phải định dạng biên dạng có độ chính xác cao, quá trình định hình bằng đầu đốt hỗn hợp khí oxy-acetylene chỉ có thể sử dụng giới hạn trong một số ứng dụng, nên không thể có hiệu quả cao đối với các tàu công suất lớn

Những năm gần đây, Việt Nam cũng đã chế tạo thành công máy uốn và ép vỏ tàu bằng thủy lực, điều khiển bằng PLC (bộ điều khiển lập trình khả dĩ) với trọng tải 1500 tấn, ứng dụng cho tàu chở thô 100.000 tấn

- Tự động hóa quá trình biến dạng thép tấm dày kích thước lớn có thể sử dụng trong các nhà máy đóng tàu

- Việc sử dụng công nghệ mới này có thể gíup nâng cao chất lượng cũng như năng suất, hiệu quả kinh tế trong công nghiệp đóng tàu hoặc công nghiệp chế tạo các thiết bị công nghiệp

1.4 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU:

Đề tài này sử dụng phương pháp phân tích, khảo sát, phân tích thực nghiệm, mô phỏng và thí nghiệm, cũng như ứng dụng trực tiếp vào sản xuất ở các nhà máy đóng tàu Mục đích chính của đề tài nhằm nghiên cứu và phát triển máy biến dạng thép bằng cảm ứng sử dụng trong công nghiệp đóng tàu

Máy được nghiên cứu và chế tạo từ đề tài này chủ yếu sử dụng trong công nghiệp đóng tàu Ngoài ra máy này có thể ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác như công nghiệp chế tạo các máy móc công nghiệp nặng

Máy sẽ được nghiên cứu và chế tạo phục vụ cho việc làm biến dạng các miếng thép tấm có chiều dày 10mm

PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG 1 ĐẦU NUNG CẢM ỨNG TỪ

2.1.1.Giới thiệu hiện tượng cảm ứng điện từ

2.1.1.1 Nguồn gốc

Hiện tượng cảm ứng điện từ được Micheal Faraday phát hiện ra vào tháng 12 năm 1831 khi ông quấn một cuộn dây lên một vòng làm bằng kim loại dẫn điện Khi cho một nguồn điện xoay chiều đi qua cuộn dây sẽ làm sản sinh trên vòng kim loại một nguồn điện cảm ứng Nhận thấy được tìm năng của viêc ứng dụng vào máy biến

áp dựa trên hiện tượng này, các nhà nghiên cứu đã tập trung nghiên cứu hàng thập kỷ

để phát triển thiết bị sản sinh ra nguồn điện xoay chiều tần số cao Đến nửa sau thế kỷ XIX, các ứng dụng thực tế của hiện tượng cảm ứng nhiệt điện từ trên vật dẫn điện xuất hiện ngày một nhiều hơn Nung cảm ứng từ lần đầu tiên được chú ý đến khi nó được phát hiện ra bởi nhiệt lượng sinh ra trong máy biến áp và động cơ dây quấn Ứng dụng của nó chủ yếu lúc này là nung nóng chảy kim loại dẫn điện

Hình 2.1.1 Thí nghiệm định luật cảm ứng của Faraday[3]

2.1.1.2 Cảm ứng nhiệt điện từ

Cảm ứng điện từ hay cảm ứng đơn thuần, là một phương pháp nung nóng vật liệu có tính dẫn điện giống như kim loại, than chì được sử dụng phổ biến trong quá trình nung nóng trong ngành luyện kim, trong xử lý nhiệt kim loại, hàn, và nấu chảy kim loại

Cảm ứng nhiệt điện từ dựa vào dòng điện được sản sinh ra bên trong vật liệu cần nung nóng Dòng điện này được gọi là dòng điện xoáy (dòng Foucault), tiêu hao năng lượng và chuyển đổi năng lượng thành nhiệt lượng theo công thức 2

PI R

Trong đó, I là tổng dòng điện và R là trở kháng

Thành phần cơ bản của một hệ thống cảm ứng nhiệt điện từ bao gồm một cuộn dây cảm ứng, một nguồn điện xoay chiều và phôi cần được nung nóng Cuộn dây cảm ứng có hình dạng khác nhau tùy thuộc vào hình dạng của vật cần nung nóng (trong trường hợp này là thép cacbon-có trở kháng cao), được kết nối với nguồn điện cung cấp Dòng điện chảy trong cuộn dây sẽ làm sản sinh ra một từ trường thay đổi có hướng cắt ngang qua phôi Chính từ trường thay đổi này làm sản sinh ra dòng điện xoáy làm sản sinh nhiệt bên trong phôi cần gia công.[3]

Cường độ của dòng điện xoáy giảm dần theo hướng từ mặt ngoài vào bên trong của phôi, do đó cảm ứng điện từ có thể được sử dụng để nung nóng và xử lý nhiệt bề mặt.[4]

Thuật toán phân tích quá trình nung nóng nhiệt cảm ứng cho tất cả các hình dạng của vật cần nung khá phức tạp Đối với mục tiêu và giới hạn đã đề ra của đề tài, tác động nhiệt của quá trình nhiệt cảm ứng điện từ đến biến dạng thép tấm CT3 có kích thước 500x500x10 sẽ được tập trung phân tích Với quỹ đạo đường nhiệt và chế

độ hoạt động khác nhau của máy sẽ tạo ra các biến dạng khác nhau của các tấm thép Với việc ứng dụng mạng thần kinh nhân tạo (noron network) để dự đoán quỹ đạo đầu nung cảm ứng từ nhằm tạo ra sản phẩm là các tấm thép có độ biến dạng như mong muốn, độ chính xác và nămg suất của máy sẽ được nâng lên đáng kể Điều này hoàn toàn phù hợp với việc gia công thép tấm cho việc lắp ghép vỏ tàu thủy cần những biến dạng chính xác

2.1.1.3 Ứng dụng của nung nóng nhiệt cảm ứng trong công nghiệp:

Những ứng dụng điển hình của đầu nung cảm ứng là nấu chảy kim loại, nung nóng kim loại để đạt được những hình dạng khác nhau, trong kỹ thuật hàn và những ứng dụng gia xử lý nhiệt bề mặt như tôi, ram bề mặt, hàn v.v

Kỹ thuật này cũng được sử dụng trong những ứng dụng khác nhau bao gồm cả đóng gói và hong khô sản phẩm Số lượng những vật liệu dùng trong công nghiệp và

dân dụng trải qua nung nóng bằng nhiệt cảm ứng từ trong một số giai đoạn của quá trình sản xuất là rất lớn và được triển khai một cách nhanh chóng.

Hình 2.1.2 Một số ứng dụng nung cảm ứng từ trong công nghiệp

2.1.2 Lý thuyết về cảm ứng nhiệt điện từ

2.1.2.1 Nguyên lý của cảm ứng nhiệt điện từ

Khi cung cấp một nguồn điện xoay chiều cho một cuộn dây sẽ sản sinh ra một dòng điện xoay chiều cảm ứng trong cuộn dây đó Dòng điện xoay chiều trong cuộn dây sẽ làm sản sinh quanh nó một từ trường thay đổi theo thời gian có cùng tần số với dòng điện trong cuộn dây đó Mật độ từ trường phụ thuộc vào cường độ dòng điện chảy trong cuộn dây cảm ứng, hình dáng hình học của cuộn dây và khoảng cách giữa các vòng dây

Hình 2.1.3 Cuộn dây cảm ứng với từ trường của nó

Từ trường thay đổi làm sản sinh ra một dòng điện xoáy xuất hiện bên trong bản thân của phôi gia công (vật dẫn điện) Chiều của dòng điện cảm ứng được xác định

theo định luật Joule-Lenz Định luật phát biểu như sau: “dòng điện cảm ứng có chiều

sao cho từ trường do nó sinh ra phải có tác dụng chống lại nguyên nhân sinh ra nó”

Từ đó ta xác định được dòng điện cảm ứng này có cùng tần số với dòng điện trong cuộn dây nhưng ngược hướng.[5]

Từ thông xoay chiều Φ do cuộn dây sinh ra tỷ lệ thuận với sức từ động và tỷ lệ nghịch với từ trở của hệ thống Khi đó, bên trong vật thể sẽ cảm ứng sức điện động E

4, 44

Trong đó f là tần số của điện áp đặt lên cuôn dây (Hz), W là số vòng dây

Ở giá trị xác định của điện trở vật dẫn, bên trong nó sẽ xuất hiện các dòng điện xoáy (Foucaults), chúng sinh ra công suất nhiệt

Hình 2.1.4 Dòng điện xoáy trong một vật dẫn khi đặt trong từ trường thay đổi

Hình 2.1.5 Hình dáng đầu gia nhiệt và thép tấm được dùng trong đề tài

Khả năng dẫn điện của vật liệu được xác định bằng độ dẫn điện (điện dẫn suất),

, đại lượng nghịch đảo của điện dẫn suất là điện trở suất  Đơn vị của  và  lần lượt

Ở hầu hết kim loại điện trở suất  tăng theo nhiệt độ

Điện trở suất là một tính chất vật lý quan trọng tác động hầu như đến tất cả những thông số quan trọng của hệ thống nung cảm ứng từ, bao gồm cả độ dày của sự nung nóng, sự đồng đều của nhiệt độ, hiệu suất điện, trở kháng của cuộn dây cảm ứng,

và các thông số khác

Hệ số thẩm từ (dẫn từ) tương đối μr và hằng số điện môi tương đối ε là những tham số

không có thứ nguyên Hệ số thẩm từ tương đối μr chỉ khả năng của một kim loại dẫn những đường sức từ tốt hơn trong môi trường chân không hay không khí Độ thẩm từ chỉ có tác dụng ở những vật liệu sắt từ Hằng số điện môi tương đối ε chỉ ra khả năng của một kim loại dẫn điện tốt hơn trong môi trường chân không hay không khí Hệ số thẩm từ tương đối có một giới hạn tác động lên tất cả những hiện tượng cơ bản của nhiệt cảm ứng từ, tính toán cuộn dây cảm ứng, và tính toán sự phân bố của trường điện

từ Hằng số điện môi tương đối không được sử dụng rộng rãi trong nhiệt cảm ứng từ nhưng nó đóng một vai trò quan trọng trong những ứng dụng nung nóng điện môi (sự nung nóng cách điện).[4]

Mối quan hệ giữa độ từ thẩm và độ cảm từ:

Cảm ứng từ B quan hệ với từ độ và cường độ từ trường theo biểu thức:

Độ từ hóa hay từ độ là tổng mô men từ trên một đơn vị thể tích, nó có cùng thứ nguyên với cường độ từ trường [A/m], được liên hệ với từ trường qua hệ số từ hóa hay còn gọi là độ cảm từ của vật liệu, ký hiệu là 

0(1 )

Như vậy đại lượng độ từ thẩm và độ cảm từ quan hệ với nhau qua biểu thức

0 (1 )

Độ từ thẩm có cùng ý nghĩa với độ cảm từ, đều nói lên khả năng phản ứng của vật liệu với từ trường ngoài Trong kỹ thuật người ta quan tâm đến giá trị độ từ thẩm tương đối được xác định

    được gọi là hằng số điện môi trong chân không Tích số của

độ thẩm từ tương đối và độ dẫn từ trong chân không được gọi là hằng số từ thẩm µ tương ứng với tỷ lệ mật độ từ thông (B) với cường độ từ trường (H)

hơi lớn hơn một ít (µ r >1) Giá trị của hằng số thẩm từ tương đối của những vật liệu

thuận từ hơi bé hơn một ít (µ r <1) Chính vì sự khác nhau không đáng kể µ r giữa các

vật liệu thuận từ và nghịch từ Trong kỹ thuật nung cảm ứng từ những vật liệu này được gọi một cách đơn giản là vật liệu không từ tính Những kim loại không từ tính điển hình là nhôm, đồng, Titan, Vomfram,

Ngược lại với những vật liệu thuận từ và nghịch từ là vật liệu “sắt từ” có giá trị

của hằng số từ thẩm lớn (µ r >>1) Chỉ một vài nguyên tố bộc lộ tính sắt từ ở nhiệt độ

phòng Bao gồm sắt, Coban, Nicken Tính sắt từ của vật liệu là một chức năng phức tạp của kết cấu, cấu trúc hóa học, xử lý nhiệt ban đầu, kích thước hạt, tần số nguồn điện, cường độ điện trường và nhiệt độ Nhiệt độ mà ở đó một tổ chức sắt từ trở nên không có từ tính được gọi là nhiệt độ triệt từ (hay được biết đến là điểm Curie) Ở dưới nhiệt độ triệt từ vật liệu mang tính sắt từ, trên nhiệt độ triệt từ vật liệu mang tính thuận

từ

Từ trễ

Tổn hao do từ trễ chỉ xảy ra với những vật liệu từ tính như thép, nicken và một

số vật liệu khác Khi những phần có từ tính bị nung nóng, ví dụ những phần này được làm từ thép cacbon, bởi cảm ứng từ nhiệt độ phòng, trường thông lượng từ thay đổi

gây nên lưỡng cực từ của vật liệu để dao động như những cực từ thay đổi sự định

hướng cực mỗi chu kỳ Sự dao động này được gọi là hiện tượng trễ, và một lượng

nhiệt nhỏ được sản sinh ra bởi sự ma sát phát sinh khi lưỡng cực từ dao động Khi thép

bị nung nóng đến điểm Curie chúng sẽ trở nên mất từ tính, và hiện tượng trễ dừng lại Bởi vì thép là không từ tính, sự đảo ngược của lưỡng cực từ không thể xảy ra

N

S N S N SN

S N S N SN

S N S N SN

S N S N SN

Energy is required to turn the small

internal magnets around This is like

friction The material become heated

Smaller loss

B

HB

H

Larger loss

Hysteresis loss Hysteresis loss depends on the area of the hysteresis

loop of the material

Hình 2.1.6 Ảnh hưởng của trễ từ đến đường công suất nhiệt

2.1.2.2.Sự phân bố của dòng điện trong vật được gia công

Vì một số hiện tượng điện từ, nên cường độ dòng điện phân bố trong một cuộn cảm ứng và trong phôi là không đều nhau Sự không đồng đều của nguồn nhiệt độ tạo nên biến dạng nhiệt không đều trong phôi Sự phân bố của dòng điện không đồng nhất gây nên bởi các hiện tượng điện từ bao gồm hiệu ứng bề mặt (skin effect), hiệu ứng lân cận (proximity effect), hiệu ứng vòng (ring effect) và hiệu ứng dọc biên (end and edge effect) những hiệu ứng này đóng vai trò khá quan trọng trong hiện tượng nung cảm ứng từ

a Hiệu ứng bề mặt

Xét vật dẫn đứng một mình và không có tải dòng của những vật dẫn khác ở xung quanh Hiệu ứng bề mặt được mô tả như là một hiện tượng nơi những trường điện từ (và vì thế dòng) suy yếu một cách nhanh chóng với chiều sâu bên trong một vật dẫn tốt Hiệu ứng bề mặt là hiện tượng dòng điện phân bố không đều bên trong mặt cắt ngang của vật dẫn điện, nó luôn xảy ra khi có một dòng điện xoay chiều chảy trong vật dẫn đó Giá trị lớn nhất của cường độ dòng điện tập trung ở bề mặt của vật dẫn Cường độ dòng điện giảm dần từ bề mặt của vật dẫn vào bên trong tâm của nó Theo

đó, hiệu ứng bề mặt cũng được tìm thấy trên một phôi gia công đặt bên dưới một cuộn dây cảm ứng từ.[4]

H

Primary curent

Magnetic field increasing through

the skin effect

primary current decreases through the skin effect

increasing through the skin effect

I middle axis

flowing self induction current

Hình 2.1.7 Chiều sâu thấm của dòng điện trong thép (dòng điện được biểu diễn

màu xanh da trời)

Hiệu ứng bề mặt là một trong những nhân tố chủ yếu gây nên mật độ dòng điện xoáy trên bề mặt của phôi gia công Vì đặc tính tròn của dòng điện xoáy sinh ra trong phôi gia công nên không có bất kỳ dòng điện nào chạy ở trung tâm của vùng gia công Trong hiệu ứng này khoảng 86% năng lượng sẽ tập trung trên lớp bề mặt của vật dẫn Lớp này được gọi là độ xuyên sâu.[3]

Hình 2.1.8 Cường độ dòng điện và cường độ từ trường như là một hàm của

chiều sâu d trong một vật dẫn

Ở Hình 5.8 chỉ ra kết quả cho cường độ từ trường và cường độ dòng điện trong

một vật dẫn với bán kính cong bề mặt lớn hơn độ sâu lớp mặt ngoài nghĩa là bề mặt của vật dẫn được xem là mặt phẳng khi so sánh với tỉ lệ chiều dài độ sâu lớp mặt ngoài (đối với vật dẫn hình khối chữ nhật được xem như bán kính cong bề mặt là vô hạn)

b Hiệu ứng lân cận

Hầu hết những phần của vật dẫn điện đặt gần vùng lân cận của một vật dẫn mang điện Những phần này có từ trường riêng của nó, tương tác với từ trường xung quanh và kết quả là mật độ dòng điện và năng lượng sẽ bị biến dạng

Trong một vật dẫn mang dòng điện xoay chiều, nếu có dòng điện chảy trong một hay nhiều vật dẫn gần đó thì sự phân bổ dòng điện trong vật dẫn ban đầu sẽ tập trung vào những vùng nhỏ hơn Kết quả sự tập trung của dòng điện được gọi là hiệu ứng lân cận

Sự thay đổi của trường từ sẽ ảnh hưởng đến sự phân bố của một dòng điện chảy bên trong một vật dẫn điện Khi có một dòng điện xoay chiều chảy trong một vật dẫn

cô lập, nó tạo nên một từ trường biến đổi liên đới Từ trường biến đổi này làm sản sinh

ra một dòng điện điện xoáy trong những vật dẫn lân cận, làm biến đổi sự phân bố của dòng điện chảy trong chúng

Hiệu ứng lân cận có thể làm tăng một cách đáng kể độ cản điện xoay chiều của những vật dẫn lân cận khi so sánh với điện trở của chúng với một dòng điện một chiều

DC Hiệu ứng lân cận tăng theo tần số Ở một tần số cao hơn độ cản trở dòng điện xoay chiều AC của vật dẫn có thể vượt quá 10 lần so với khi có một dòng điện một chiều DC chảy trong chúng.[3]

Trở kháng thêm vào làm tăng lên lượng năng lượng bị mất đi

c Hiệu ứng vòng

Nếu một thanh mang dòng điện bị uốn cong thành dạng hình tròn thì dòng điện của nó được phân phối lại Những đường sức từ sẽ tập trung vào bên trong của vòng tròn và do đó cường độ điện trường bên trong vòng tròn sẽ cao hơn Phía bên ngoài vòng tròn, những đường sức từ sẽ bị khuếch tán Kết quả là hầu hết dòng điện chảy ở lớp mỏng mặt ngoài ở bên trong của vòng tròn Hiệu ứng vòng không chỉ xảy ra trong những vòng cảm ứng đơn mà còn trong những cuộn cảm ứng quấn nhiều vòng.[3]

d Hiệu ứng dọc biên

Để đảm bảo nhiệt cảm ứng từ phân bố đều trên phôi gia công, việc dự đoán chính xác sự phân bố của trường điện từ được sản sinh ra bởi dòng điện cảm ứng trong những điều kiện hoạt động khác nhau, giữa các nhân tố khác nhau

Biên dạng nhiệt độ dọc theo chiều dài và chiều rộng của phôi gia công bị ảnh hưởng bởi sự bóp méo của trường điện từ (emf) trong vùng dọc biên (vùng dọc cạnh

theo chiều rộng và chiều dài của phôi gia công) của nó Những trường điện từ bóp méo

và sự phân bố tương ứng của cường độ dòng điện cảm ứng và cường độ năng lương được đề cập đến như là hiệu ứng dọc biên Những hiệu ứng này và từ trường bóp méo gây nên bởi chúng là nguyên nhân chính cho những biên dạng không đồng nhất của nhiệt độ trong phôi gia công

Giả sử đặt một tấm kim loại vào một trường điện từ đều ban đầu Nếu chiều dài

và chiều rộng của nó lớn hơn bề dày thì trường điện từ trong tấm kim loại đó có thể xem như là vùng chứa đựng 3 miền: phần trung tâm và tác động lên vùng cạnh nằm ngang và tác động lên vùng theo hướng dọc cuối

Ở vùng trung tâm, từ trường phân bố đều tương ứng với bản dài vô tận Về cơ bản, hiệu ứng dọc biên phân bố theo không gian 2 chiều chỉ ngoại trừ vùng 3 cạnh góc nơi trường điện từ là 3 chiều và trường điện từ phân bố là kết quả của sự kết hợp của hiệu ứng dọc biên.[5]

Rectangular slab

Z

Y Y-X Y-Z Slab

Coil

X

P/Pc Central part

Longitudinal elecgtromagnetic end effect

1 2 3

b X

Hình 2.1.9 Hiệu ứng cảm ứng điện từ dọc biên[5]

2.1.2.3 Hiện tượng trao đổi nhiệt trong nung cảm ứng

Sự trao đổi nhiệt là một phần quan trọng trong việc tính toán dự đoán đường đi cũng như biến dạng của tấm thép sau gia công Sự trao đổi nhiệt được định nghĩa như một sự dịch chuyển của năng lượng gây ra bởi một sự khác nhau trong nhiệt độ Nó được đặc trưng bởi 3 cơ chế theo sau Tất cả chúng đều hỗ trợ cho sự trao đổi nhiệt

a Sự dẫn nhiệt

Sự dẫn nhiệt hay còn gọi là tán xạ hay khuếch tán nhiệt diễn ra xuyên qua những chi tiết khác nhau trong môi trường khác nhau Về mặt lý thuyết nó diễn ra trong sự va chạm của các phần tử khí, sự dao động của mỗi phần tử trong chất lỏng trong một lớp bọc được tạo thành bởi những phần tử xung quanh nó, và trong kim loại bởi những electron mang nhiệt hay trong những khối vật chất khác đó là sự chuyển động của các phần tử Đặc trưng của sự dẫn nhiệt là dòng nhiệt (thông lượng nhiệt) nó

tỷ lệ với chênh lệch nhiệt độ Nó luôn diễn ra từ vùng nhiệt độ cao hơn sang vùng nhiệt độ thấp hơn, theo định luật hai của nhiệt động học, và giúp cân bằng lại sự khác biệt nhiệt độ Khác với đối lưu, trong dẫn nhiệt, sự trao đổi nhiệt năng không kèm theo

sự chuyển động của một số lượng lớn phần tử vật chất.[4]

Định luật Fourier là định luật cơ bản cho sự dẫn nhiệt định luật phát biểu rằng:

“thông lượng nhiệt chảy qua một vật liệu trong một đơn vị thời gian là tỷ lệ thuật với

trừ của gradient nhiệt độ theo chiều dòng nhiệt và với diện tích vuông góc với dòng nhiệt”

Phương trình Fourier ở dạng vi phân:

( )

cond

q   t gradt (1.10) Trong đó

cond

q là thông lượng nhiệt vật dẫn, 2

[Wm ]( )t

 là độ dẫn nhiệt của vật liệu, [[Wm10C]

là nhiệt độ, [0C]

Phương trình Fourier ở dạng tích phân :

Dạng tích phân của phương trình Fourier tương ứng với dạng vi phân của nó trên một diện tích S của vật liệu

Q t

Truyền nhiệt đối lưu

Sự đối lưu nhiệt diễn ra thông qua một sự dịch chuyển mạng lưới trong vật chất,

nó vận chuyển nhiệt lượng chứa đựng trong vật chất thông qua véc tơ vận tốc của chất lỏng đó Thuật ngữ “sự đối lưu” cũng được sử dụng cho sự phân tán nhiệt lượng từ một mặt phẳng rắn vào trong một chất lỏng, ở đó hệ số trao đổi nhiệt và độ chênh lệch nhiệt độ ngang qua một lớp màng tưởng tượng được mô tả là dòng nhiệt Mô đun sự trao đổi nhiệt bao gồm cả 2 mô tả trên

Có thể sử dụng định luật Newton để mô tả sự truyền nhiệt bằng đối lưu Định luật này phát biểu rằng tốc độ truyền nhiệt tỷ lệ thuận với sự chênh lệch nhiệt lượng giữa bề mặt của phôi nung nóng và môi trường xung quanh:[4]

q là mật độ dòng nhiệt bởi sự đối lưu, [Wm2]

hệ số truyền nhiệt đối lưu trên bề mặt, 0C

tsur là nhiệt độ bề mặt, 0C

ta là nhiệt độ môi trường, 0C

Hệ số truyền nhiệt mặt phẳng đối lưu là một hàm đặc tính nhiệt chủ yếu của phôi gia công, tính chất nhiệt của chất lỏng, hay không khí bao quanh, và độ nhớt (độ bám chắc) hay vận tốc của chúng của xử lý nhiệt của phôi gia công nếu phôi gia công

di chuyển với vận tốc cao Điều này đặc biệt quan trọng để đưa chế độ này vào trong việc tính toán khi thiết kế đầu nung cảm ứng trong ứng dụng nhiệt độ thấp Trong những ứng dụng này, sự mất nhiệt đối lưu là bằng hay vượt quá sự mất nhiệt gây ra bởi sự bức xạ

sự khác nhau về nhiệt độ

Hiện tượng này bị chi phối bởi định luật Stefan-Boltzmann về bức xạ nhiệt độ, định luật này phát biểu rằng công suất bức xạ nhiệt của một vật tỷ lệ thuận với nhiệt độ

tuyệt đối của vật bức xạ và diện tích bề mặt vật bức xạ (tốc độ truyền nhiệt do bức xạ

tỷ lệ với một hệ số bức xạ tiêu hao, Cs với giá trị của tsur4  ta4.[4]

Tham số đặc trưng ε biểu thị độ lớn của sự bức xạ xảy ra ở mặt ngoài của vật; ε

nhận giá trị bất kỳ trong khoảng 0 đến 1

Thực nghiệm chứng tỏ rằng những vật thể hấp thụ mạnh mọi bức xạ tới cũng là những vật bức xạ tốt ( lớn) Ngược lại, những vật thể cho sự phản xạ mạnh những bức

Bởi vì mọi vật đều phát ra các bức xạ nhiệt vào môi trường xung quanh cho nên

nó cũng đồng thời hấp thu bức xạ nhiệt từ các vật khác xung quanh nó;

Nếu Pradi > 0 vật hấp thụ nhiệt nhiều hơn bức xạ nhiệt, nhiệt độ của vật sẽ tăng lên

Nếu Pradi > 0 vật hấp thụ nhiệt ít hơn bức xạ nhiệt, nhiệt độ của vật sẽ giảm xuống

Trong đầu nung cảm ứng điển hình và xử lý nhiệt bởi sự đối lưu, bức xạ phản ánh giá trị của nhiệt lượng mất đi Giá trị nhiệt lượng mất đi càng cao làm giảm tổng

hiệu suất của đầu nung cảm ứng

2.1.3.Mô hình toán học của quá trình nung cảm ứng nhiệt

2.1.3.1.Mô hình toán học trường điện từ và trường nhiệt độ

Sự phân bố nhiệt độ theo không gian - thời gian bên trong một phôi gia công bị nung nóng được mô tả bằng một hệ thống khá phức tạp có quan hệ với phương trình Maxwell và Fourier về trường điện từ và trường nhiệt độ:[5]

D curl H J

E là véc tơ cường độ điện trường

D là véc tơ mật độ điện trường

 là trọng lượng riêng (tỷ trọng riêng) của kim loại

c(t) là nhiệt dung riêng

λ(t) là hệ số dẫn nhiệt của kim loại

Theo công thức (1.14), một dòng điện xoay chiều trong cuộn dây sẽ sản sinh trong vùng quanh nó một từ trường thay đổi có cùng tần số như nguồn điện trong cuộn dây cảm ứng Cường độ của từ trường này phụ thuộc vào dòng điện chảy trong cuộn dây cảm ứng, hình dáng cuộn dây, và khoảng cách giữa các vòng dây của cuộn dây

Sự thay đổi từ trường sản sinh ra dòng điện xoáy trong vật được nung và trong những vật dẫn khác được đặt gần cuộn dây

Theo công thức (1.15), dòng điện cảm ứng có cùng tần số với dòng điện nguồn trong cuộn dây Tuy nhiên, hướng của nó ngược lại với hướng dòng điện trong cuộn dây Điều này được xác định bởi dấu trừ trong công thức (1.15) Theo công thức (1.14), dòng điện xoáy thay đổi sản sinh trong phôi làm sinh ra từ trường của riêng nó,

từ trường này có cùng hướng với hướng của từ trường chính do cuộn dây sinh ra Tổng

từ trường của cuộn dây cảm ứng là kết quả của từ trường nguồn và từ trường cảm ứng

do dòng điện xoáy sản sinh ra trong vật được nung

Phương trình (1.16) và phương trinh (1.17) có ý nghĩa thiết thực trong nung cảm ứng từ và xử lý nhiệt của một vật thể dẫn điện Hai công thức chỉ ra rằng sự phân tán của mật độ từ trường và cường độ điện trường là bằng không Điều đó có nghĩa là các đường và không có điểm gốc chung ở đó chúng bắt đầu hay kết thúc; nói một cách khác, các đường và luôn luôn có dạng vòng lò so lặp liên tục

Từ phương trình (1.14) đến phương trình (1.17) là dạng bất định bởi vì số phương trình nhỏ hơn số biến Những phương trình này được xác định khi những mối quan hệ giữa số lượng trường từ được xác định Những mối quan hệ chủ yếu sau dây được thêm vào và giữ đúng với điểm giữa đường đẳng hướng:

Các thông số , , và biểu thị lần lượt là hằng số điện môi tương đối, hằng số

từ thẩm tương đối, và điện dẫn suất của vật liệu;

,  là điện trở suất

Hằng số là hệ số từ thẩm trong chân không và tương tự, hằng số là hằng

số điện môi trong chân không