Nghiên cứu thiết kế công nghệ và máy uốn lốc CNC 4 trục để chế tạo ống thép hàn

W- Trục lốc dưới X- Trục lốc bên trái Y- Trục lốc bên phải O-Vị trí mở khóa GCAL- Gia công áp lực G7- Các nước có nền kinh tế, khoa học kỹ thuật phát triển Danh mục các bảng Bảng 2.1 Độ

Research on technology and design of 4 – rolls bending manufacturing

welded steel pipe Steel dimension

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHẾ TẠO MÁY

HÀ NỘI-2011

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS PHẠM VĂN NGHỆ

Viện Cơ khí - ĐHBK Hà Nội

HÀ NỘI-2011

Dưới sự hướng dẫn của PGS-TS Phạm Văn Nghệ- Bộ môn Gia công áp lực, Viện

Cơ khí-Đại học Bách khoa Hà Nội, cùng sự hỗ trợ và giúp đỡ Banh lãnh đạo Công ty cổ phần LILAMA69-3, các bạn đồng môn, đồng nghiệp, sự tìm tòi, sáng tạo và dày công khảo sát, tìm kiếm cũng như tham khảo các tài liệu chuyên khảo trong nước, nước ngoài trong lĩnh vực Gia công áp lực, cơ khí chế tạo máy, luyện kim, vật liệu học, thủy lực, động lực học, cơ điện tử, công nghệ thông tin để có được kết quả nghiên cứu như hôm nay

Với danh dự của bản thân, tôi cam đoan luận văn: “Nghiên cứu thiết kế công nghệ

và máy uốn lôc CNC 4 trục để chế tạo ống thép hàn” do tôi viết ra, sản phẩm thiết kế do

tôi thực hiện, chưa có ai thực hiện đề tài này Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà

trường, trước pháp luật về tính hợp pháp của đề tài, luận văn

Hà Nội, ngày 01 tháng 03 năm 2011

Người viết cam đoan

Học viên Đặng Văn Phương

W- Trục lốc dưới

X- Trục lốc bên trái

Y- Trục lốc bên phải

O-Vị trí mở khóa

GCAL- Gia công áp lực

G7- Các nước có nền kinh tế, khoa học kỹ thuật phát triển

Danh mục các bảng

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

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

Bảng 2.3 Sự quan hệ giữa ψ và r

Bảng 2.4: Hệ số kinh nghiệm (K) dùng để tính bán kính uốn nhỏ nhất

Bảng 2.5 Hệ số x0 để xác định góc đàn hồi khi uốn chữ V

Bảng 2.6 Góc đàn hồi trung bình của các nguyên vật liệu khi uốn tự do với góc uốn

Hình 2.1 Biểu đồ thế năng giữa các nguyên tử

Hình 2.2 Trượt giữa các mặt tinh thể

Hình 2.3 Mặt trượt và phương trượt, biểu đồ Schimid

Hình 2.4 Sơ đồ biểu diễn sự trượt:

Hình 2.5 Song tinh trong mạng tinh thể

Hình 2.6 Hai dạng Textua trong vật liệu mềm

Hình 2.7 Hình ảnh độ biến dạng đến cơ tính kim loại

Hình 2.8 Mô tả một trường hợp uốn

Hình 2.9 Mô tả ví dụ về độ giảm mỏng đối với vật liệu chịu uốn

Hình 2.10 Một số dạng uốn chữ V

Hình 2.11 Bán kính cong của lớp trung hòa biến dạng

Hình2.12 Tiết diện ngang của phôi bị thay đổi khi uốn phôi tròn(với bán kính uốn nhỏ) Hình 2.12 Sơ đồ biểu diễn sự đàn hồi sau khi uốn

Hình 2.13 Cách xác định độ dài phôi uốn

Hình 2.14 Mô tả lốc sản phẩm hình nón (côn)

Hình 2.15 Profile trụ E-líp

Hình 2.15 Profile hình lăng trụ

Hình 3.1 Sơ đồ động của máy lốc 4 trục

Hình 3.2 Sơ đồ bố trí thân máy

Hình 3.3 Lưu đồ hệ thống điều khiển CNC

Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống điện điều khiển CNC máy lốc 4 trục MCB3070

Hình 3.5 Mô hình bẻ mép kim loại

Hình 3.6 Sơ đồ đặt lực trên trục

Hình 3.7 Dựng hình trong việc bố trí các tọa độ lốc

Hình 3.8 Sơ đồ tọa độ hóa uốn tôn

Hình 3.9 Mô hình cánh tay đòn trong uốn lốc

Hình 3.10 Sơ đồ đặt lực

Hình 3.11 Biểu đồ ứng suất pháp

Hình 3.15 Mô tả sơ bộ trục đáy (ở giữa)

Hình 3.16 Biểu đồ đặt lực, lực cắt và mô men uốn trục đáy

Hình 4.3 Mô tả sản phẩm sau khi lốc

Hình 4.4 Số lần lốc để đảm bảo được biên dạng khép kín (theo lý thuyết) Hình 4.5 Tính toán góc đàn hồi

Hình 5.1 Ký hiệu các trục và mô tả sơ bộ

Hình 5.2 Chuyển động ăn phôi ban đầu của các trục lốc

Hình 5.3 Chỉ số áp lực (mô phỏng) hiển thị trên máy để tính áp lực kẹp phôi Hình 5.4 Chuyển động trục lốc và phôi

Hình 5.5 Bẻ mép (Pr-bending)

Hình 5.6 Chuyển vị các trụ lốc bên

Hình 5.7 Uốn lốc kết hợp với dưỡng căn chỉnh đường kính phù hợp

Hình 5.8 Khép kín đường ống

Hình 5.9 Hàn đường ống khi khép kín sau khi uốn lốc

Hình 5.10 :Phương án đưa vôi ra khỏi máy sau khi khép hình

Hình 5.11 Mô tả hai mép phẳng của tấm

Hình 6.13 Hình khai triển vật liệu tấm để lốc côn

Hình 6.14 Chuẩn bị dưỡng đo trong, đo ngoài theo tỷ lệ độ cong 1:1

Hình 6.15 Điều chỉnh độ nghiêng trục phù hợp khi uốn lốc

Hình 6.16 Hướng đặt của tấm khi lốc côn

Hình 6.16 Chuyển động tương đối giữa trục lốc và vật liệu tấm

Hình 6.17 Quá trình chuyển động của lốc côn

NỘI DUNG

LỜI MỞ ĐẦU 4  

CHƯƠNG I 7  

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MÁY UỐN 4 TRỤC ĐIỀU KHIỂN SỐ 7  

1.1 Tổng quan quá trình nghiên cứu và sử dụng máy uốn lốc 4 trục 7  

1.1.1 Trong nước 7  

1.1.2 Trên thế giới 7  

1.1.3 Một số loại máy liên quan đến biến dạng uốn lốc kim loại 8  

1.1.4 Máy nắn và máy uốn: 8  

1.1.5 Khái niệm về máy lốc 4 trục điều khiển thủy lực có Profin dạng tròn 9  

1.2 Nghiên cứu thị trường và nhu cầu sử dụng máy lốc tại Việt Nam .10  

1.3 Kết luận 10  

CHƯƠNG II .11  

CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY UỐN LỐC 11  

2.1 Tạo hình chi tiết dựa trên biến dạng dẻo kim loại 11  

2.1.1 Trượt 12  

2.1.2 Phá huỷ 12  

2.2 Cơ chế biến dạng dẻo – Trượt và sự chuyển động của lệch 13  

2.2.1 Biến dạng dẻo đơn tinh thể 13  

2.2.2 Song tinh 16  

2.2.3 Tổ chức và tính chất của kim loại sau khi biến dạng dẻo .18  

2.3 Xác định các thông số, năng lượng, lực và công nghệ trong quá trình biến dạng 20  

2.3.1 Khái niệm uốn, đặc điểm công nghệ và lý luận về uốn .20  

2.3.2 Điều kiện ăn phôi 24  

2.3.3 Lớp trung hòa biến dạng và cách xác định .25  

2.3.4 Bán kính uốn cho phép 28  

2.3.5 Hiện tượng đàn hồi sau khi uốn và cách khắc phục 31  

2.3.6 Xác định lực uốn: 36  

2.3.7 Cơ sở xác định kích thước của phôi uốn 37  

2.4 Khả năng công nghệ khác của máy uốn lốc 4 trục 39  

2.4.1 Uốn các chi tiết dạng côn từ tôn tấm 39  

2.4.2 Uốn ống dạng E-líp 44  

2.4.3 Uốn ống dạng lăng trụ 44  

2.5 Nguyên lý một số loại máy uốn lốc 4 trục điều khiển CNC 45  

2.6 Tiêu chuẩn thiết kế, tiêu chuẩn thiết bị trong kết cấu máy lốc 4 trục; 46  

CHƯƠNG III .47  

THIẾT KẾ CƠ KHÍ MÁY LỐC 4 TRỤC VỚI THÔNG SỐ CHI TIẾT 47  

3.1 Sơ đồ động của máy lốc 4 trục điều khiển thủy lực 47  

3.1.1 Dẫn động thủy lực 4 trục 47  

3.1.2 Cụm thân máy 48  

3.1.3 Hệ thống điều khiển CNC của máy uốn lốc 4 trục 49  

3.2 Tính toán các thông số kỹ thuật của máy uốn lốc 4 trục 50  

3.2.1 Mô hình bài toán ban đầu 51  

3.2.2 Tính khoảng cách “b” theo kích thước cơ trên máy đã chọn 53  

3.2.3 Lập công thức tính lực cần để uốn 56  

3.2.4 Tính lực cần để uốn tôn ở trạng thái phẳng: 57  

3.2.5 Tính lực cần để uốn tôn ở trạng thái cong: .57  

3.2.6 Tính toán các thông số ứng suất biến dạng 60  

3.3 Tính trục lốc 61  

3.3 Thông số hình học của trục công tác 63  

3.3.1 Xác định các thông số hình học 63  

3.3.2 Tính trục dưới 66  

3.3.2 Nghiệm bền các trục 76  

3.4.Tính toán Pit tông – xy lanh thủy lực và động cơ 76  

3.4.1 Piston - Xylanh đẩy trục bên 76  

3.4.2 Piston - Xylanh đẩy trục dưới 77  

3.5 Tính công suất động cơ trục lốc, chọn công suất động cơ chính 79  

3.5.1 Công suất trục lốc trên 79  

3.5.2 Công suât trục lốc dưới 80  

3.5.3 Tính chọn công suất động cơ chính 80  

3.5.4 Tính tương đương khi lốc các loại vật liệu có ứng suất cao hơn 81  

CHƯƠNG IV 86  

THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG THỦY LỰC 86  

4.1 Sơ đồ hệ thống dẫn động máy uốn lốc 4 trục .86  

4.2 Chế độ không tải: 87  

4.2.1 Bơm P1: 87  

4.2.2 Bơm P2: 87  

4.3 Chế độ có tải: 87  

4.3.1 Tác dụng của bơm P1 87  

4.3.2 Tác dụng của bơm P2 87  

4.4 Hoạt động của hệ thống thủy lực khi uốn lốc: 87  

4.4.1 Trục lốc dưới (ký hiệu W): 87  

4.4.2 Trục lốc bên Y: 88  

4.4.3 Trục lốc bên X: 88  

4.4.4 Trục lốc quay (W, S): 89  

4.4.5 Mở khoá trục lốc trên W (xi lanh O): 89  

4.5 Xác định thông số công nghệ khi lốc 90  

CHƯƠNG V .95  

MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ UỐN LỐC THÉP TẤM TRÊN MÁY 95  

5.1 Công nghệ uốn lốc trong máy lốc 4 trục 95  

5.1.1 Trục trên S: 95  

5.1.2 Trục lốc giữa P 95  

5.2 Phương thức lốc 96  

5.2.1 Lốc không cắt lưỡi (Pre-bending ) 96  

5.2.2 Uốn lốc chập hai đầu – khép kín 102  

5.5.3 Lốc côn: 103  

5.3.1 Chuẩn bị vận hành 104  

5.3.2 Qui trình lốc côn: 105  

CHƯƠNG VI KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 108  

6.1 Nội dung hoàn thành 108  

6.2 Những vấn đề cần phát triển sau bảo vệ luận văn cao học .108  

6.3 Tính mới và sáng tạo thuộc lĩnh vực đề tài 109  

6.4 Kiến nghị đề xuất 109  

TÀI LIỆU THAM KHẢO 110  

LỜI MỞ ĐẦU

Ngành cơ khí trong nước thời gian qua đã có những bước phát triển đáng quan tâm trong nhiều lĩnh vực chế tạo thiết bị cơ khí ngành sản xuất vật liệu xây dựng, năng lượng, hóa chất, cơ khí khai thác mỏ … là do có sự đầu tư đúng hướng

và sự quan tâm hơn của nhà nước đối với lĩnh vực phát triển ngành cơ khí

Một số văn bản quan trọng như: Kết luận số 25-KL/TW ngày 17/10/2003 của

Bộ chính trị về chiến lược phát triển ngành cơ khí Việt Nam

Quyết định số 186/2002/QĐ-TTg ngày 26/12/2002 của Thủ tướng Chính phủ Phê duyệt chiến lược phát triển ngành cơ khí Việt nam đến năm 2010 và tầm nhìn

2020 Có thể nói đây là những văn bản mang tính định hướng của nhà nước trong việc xã hội hóa phát triển ngành công nghiệp cơ khí có trọng tâm và được đầu tư chiều sâu

Trong thực tiễn chung ấy, việc các sản phẩm nghiên cứu khoa học, các đề tài, luận văn, báo cáo khoa học tại các Trường Đại học, Viện nghiên cứu các cần bám sát vào thực tế sản xuất và nhu cầu của xã hội để những sản phẩm trí tuệ đó được ứng dụng trong thực tiễn

Là một học viên cao học, đồng thời công tác tại đơn vị thành viên thuộc Tổng công ty lắp máy Việt Nam (LILAMA69-3) đã có nhiều thời gian tiếp cận với nhiều Công trình Nhóm A- cấp nhà nước như Nhà máy Lọc dầu Dung Quất – Quảng Ngãi, Nhà máy xi măng Hoàng Thạch 1& 2& 3 Nhà máy xi măng Chinfon

1 & 2, Nhà máy xi măng Thăng Long – Hoành Bồ, nhà máy xi măng Cẩm Phả, Nhiệt điện Uông Bí mở rộng, Tuyển Than Cửa Ông …tiến tới còn rất nhiều dự án phía trước

Nhận thức được khả năng chế tạo trong nước đối với nhiều mặt hàng lớn còn hạn chế trong việc chế tạo hàng siêu trường, siêu trọng, các mẻ đúc khối lượng lớn trên 20 tấn, các máy gia công độ đồng tâm trên không gian rộng, các máy áp lực cao, công nghiệp luyện kim cho ngành công nghiệp chế tạo máy, các máy lốc loại tôn dày v.v nếu chưa phát triển những sản phẩm trên, sẽ làm chậm tiến trình nội

địa hóa theo lộ trình đã định Trong những vấn đề đã nêu, việc chế tạo lò lung clinker, các bồn bể áp lực cao, các ống dẫn nhiên liệu dạng khí, dạng lỏng, dạng hơi nước … được sử dụng phổ biến ở nhiều lĩnh vực xây dựng dân dụng, xây dựng công nghiệp và dây chuyển sản xuất công nghiệp Độ dày lò lung trong nhà máy xi măng từ 1,4 triệu tấn đến 3,6 triệu tấn/năm đối với một dây chuyền thì đường kính

lò phải từ 4,2m đến 11m, các độ dầy tôn theo các dải từ 30 đến 110 mm, ngoài ra còn các hệ ống khói, ống gió bar, thông khí, tháp nước, phễu nón cụt …, trong công nghệ chế tạo bồn bề thì việc sử dụng máy lốc là không thể thiếu để lốc các biên dạng hình elip, hình tròn Trong công nghiệp nhiện điện thì các ống được sử dụng trong vận hành hệ thống nước tuần hoàn, hệ thống khí nén chịu áp lực cao, hệ thống bao hơi, các bồn bể trong việc bảo vệ môi trường như khu xử lý lưu huỳnh (S) – FGD … điều này để chứng minh rằng việc tập trung nghiên cứu Máy lốc 4 trục là cần thiết đối với ngành cơ khí , có tính thực tiễn và mang lại hiệu quả kinh tế cao

Việc lựa chọn đường kính lốc tiêu chuẩn để làm cơ sở thiết kế, sau đó đưa ra các nguyên lý lốc đối với các biên dạng khác nhau, được xây dựng thành một hệ thống bảng dữ liệu tiêu chuẩn, được sử dụng và được tính toán về khả năng công nghệ của máy lốc, các trục đỉnh, trục đáy và 2 trục bên

Việc nghiên cứu phải trả lời là máy lốc 3 trục đã tồn tại và hoạt động hiệu quả trong một thời gian dài qua nhiều thập kỷ vậy thì tại sao lại nghiên cứu máy lốc

4 trục, ưu điểm vượt trội của thiết bị là gì? Điều này căn bản ở tính kinh tế và kỹ thuật, khả năng Pre-bending của máy, việc tiết kiệm chi phí vật liệu khá lớn so với máy lốc 3 trục được tính toán cụ thể dựa trên lý thuyết và thực tế tại một số đơn vị thành viên LILAMA

Đại học Bách khoa Hà Nội là một trường Đại học uy tín của Việt nam trong lĩnh vực đào tạo và phát triển nguồn nhân lực khoa học, công nghệ về cơ khí chế tạo máy Việc đưa những đề tài có tính thiết thực đối với các ngành công nghiệp sản xuất là trách nhiệm đối với xã hội Nhận thấy được thị trường tiềm năng của loại máy lốc này trong thực tế, đồng thời mong muốn có đội ngũ khoa học thực sự chuyên sâu đối với loại máy lốc 4 trục là cần thiết trong giai đoạn hiện nay để thực

hiện việc nghiên cứu, chế tạo máy lốc 4 trục có điều khiển bằng chương trình (CNC) mang thương hiệu Việt Nam Chính vì lý do đó bộ môn Máy và Gia công áp lực đã đưa Máy lốc tôn 4 trục thủy lực, điều khiển CNC là một trong những đối tượng nghiên cứu và phát triển cho học viên cao học Chế tạo máy khóa 2009:

Tên đề tài tiếng Việt: Nghiên cứu thiết kế công nghệ và máy uốn lốc CNC

4 trục để chế tạo ống thép hàn

(Kích thước tiêu chuẩn dày 86mm, rộng 3000mm, đường kính lốc 3500mm)

Tên đề tài tiếng Anh: Research on technology and design of 4 – rolls

bending manufacturing welded steel pipe

(Steel dimension: Plate thickness 86mm, wide 3000mm, Diameter bending capacity 3500mm)

Học viên thực hiện đề tài: Đặng Văn Phương hiện công tác tại LILAMA69-3 Giảng viên hướng dẫn chính: PGS,TS Phạm Văn Nghệ nguyên là Trưởng bộ môn máy và gia công áp lực Viện Cơ khí – Đại học Bách khoa Hà Nội

Đến nay đề tài đã hoàn thiện được toàn bộ theo các nội dung đề cương nghiên cứu đáp ứng được các chi tiêu khoa học, kỹ thuật của đề tài Có thể nói đề tài được nghiên cứu thành công sẽ là cơ sở cho việc ứng dụng sản phẩm nghiên cứu tại nhà trường vào sản xuất thực tế tại doanh nghiệp, sẽ là một cơ hội lớn để sản phẩm nghiên cứu được chế tạo tại LILAMA69-3 sau khi đề tài được nghiệm thu và chỉnh sửa

Trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn PGS-TS Phạm Văn Nghệ, người thầy

đã hướng dẫn tôi thực hiện thành công đề tài này, đồng thời xin cảm ơn Viện Đào tạo sau đại học, Viện Cơ khí, Bộ môn máy & GCAL, các thầy cô giáo, các bạn đồng môn, đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành khóa học này

Trân trọng !

Học viên Đặng Văn Phương

4 trục là sản phẩm truyền thống của họ Các máy lốc tự chế xuất hiện ở một số nhà máy Cơ khí Hải Dương, LILAMA, COMA, VINASHIN …,

1.1.2 Trên thế giới

Hàng năm, các doanh nghiệp của LILAMA, COMA, SONGDA, VINASHIN… phải nhập nhiều loại máy lốc với nhiều kích cỡ khác nhau cho những mục đích chế tạo tại các dự án Các máy có xuất xứ từ các nước G7, Nga, Trung Quốc và một số nước Đông Âu với nhiều thế hệ máy, xong đa phần là máy lốc 3 trục Hiện tại, loại máy 4 trục đã được nhập vào một số doanh nghiệp trong nước như LISEMCO – Hải Phòng, LILAMA69-3 – Hải Dương, CS WIND TOWER –

Hồ Chí Minh , của các hãng chế tạo thiết bị máy lốc hàng đầu như DAVI – Italy,

MG – Italy, 4HEL – Italy, Bikko – Italy, Sertom – Thổ Nhĩ Kỳ ,các nước này đã đạt tới trình độ cao về nghiên cứu và chế tạo máy lốc siêu lớn với nhiều biên dạng phức tạp, với tôn dày đến 200mm như MCB 3070, MCB 3080, MG 375 … các chương trình điều khiển số NC và CNC

1.1.3 Một số loại máy liên quan đến biến dạng uốn lốc kim loại

Các máy loại trục làm gồm có một vài loại máy uốn - nắn, máy cán để cán dọc và ngang Máy loại con lăn như máy uốn – nắn thép hình, máy long lỗ, máy lăn nồi hơi, máy miết đĩa, máy có bộ phận làm việc là cung hình quạt như máy cán rèn , còn máy quay hồi chuyển thuộc loại máy có bộ phận làm việc đầu trượt.Tất cả các loại máy ở trên có đặc điểm là : nguyên công công tác được thực hiện trong khi phôi chuyển động Vì thế cần tự động hoá việc chuyển phôi

Đặc điểm khác nhau giữa máy loại quay với máy búa và máy ép là: ở máy búa và máy ép thông thường không sử dụng hành trình không tải đi lên ( ngược )

để biến dạng vật dập và quá trình biến dạng chỉ thực hiện trên một phần không lớn của chu trình công tác Một đặc điểm quan trọng ở kiểu máy quay là phôi được gia công một cách liên tục, do vậy tạo khả năng áp dụng rộng dãi nguyên lý chuyển động quay bộ phận công tác trong các máy của ngành rèn – dập Người ta cũng sử dụng rộng rãi các máy kiểu quay trong chế tạo máy khi sản xuất các vật liệu định hình

Nếu ở các máy ép, lực danh nghĩa là thông số cơ bản nhất thì đối với máy loại quay thông số cơ bản nhất là mômen xoắn tác dụng lên trục chính Riêng đối với một vài loại máy (như máy cán rèn) lực danh nghĩa cũng là một thông số cơ bản

1.1.4 Máy nắn và máy uốn:

Máy nắn uốn được dùng rộng rãi trong ngành chế tạo máy và gia công kim loại Các máy này thường kết hợp với các máy hàn để gia công các sản phẩm trong nền sản suất hàng loạt nhỏ, lớn và hàng khối

Quá trình công nghệ cơ bản của nắn và uốn dựa trên cơ sở biến dạng uốn dẻo ngang nhờ khuôn, con lăn hoặc trục cán ngoài ra: uốn tự do hoặc uốn theo dưỡng Sau này người ta đã ứng dụng uốn có kéo, kéo với nén v.v và trong một vài loại máy

Máy uốn, nắn loại quay có thể chia ra rất nhiều loại nhưng chủ yếu là máy uốn nắn kiểu trục lăn hoặc con lăn với số trục và con lăn thay đổi Máy uốn 3 hoặc

4 trục có thể uốn các tấm (dày từ 1,6 ÷ 130 mm , rộng 1250 ÷ 4000 mm); máy uốn 3 con lăn để uốn thép hình; máy uốn gờ có thể lên vành, tạo gân lượn sóng trên mặt trụ, ghép mí các tấm hoặc dải dày 1,6 ÷ 4 mm

1.1.5 Khái niệm về máy lốc 4 trục điều khiển thủy lực có Profin dạng tròn

Máy lốc tôn là một thiết bị gồm các cặp lô có profin giống prôfin của sản phẩm, được dẫn động bởi động cơ thủy lực, nhờ sự chuyển động của các cặp lô tạo hình này mà vật liệu (thép tấm) sau khi di chuyển qua các cặp lô sản phẩm sẽ có được hình dáng như đã thiết kế Máy uốn lốc thực chất là một dạng máy gia công nguội, dưới dạng gia công bằng áp lực (phương pháp gia công không phoi) Quá trình tạo hình prôfin sản phẩm là quá trình gây biến dạng dẻo dưới tác dụng của ngoại lực (nhờ vào các lô cuốn)

Sản phẩm của máy lốc tôn đa dạng và phong phú (đặc trưng của nó là mặt cắt ngang (prôfin) của sản phẩm không thay đổi theo chiều dài), và được ứng dụng rộng rãi trong thực tế như: tấm lợp, các chi tiết hình ống, thùng phi, nồi hơi, bao hơi nhiệt điện, ống dẫn nhiên liệu lỏng, khí, hơi trong công nghiệp dầu khí, vỏ lò lung Clinker trong công nghiệp xi măng , kích thước của sản phẩm có thể đạt tới 3000mm chiều rộng và lốc các tấm có chiều dài hàng chục mét, các chi tiết có prôfin hình tròn có thể đạt đường kính đến 10 000 mm (10m)

Hiện nay có rất nhiều dạng máy lốc tôn, ở nước ta cũng có một số cơ sở sản xuất máy lốc, tuy nhiên với điều kiện sản xuất đơn chiếc, giá thành đắt nên chỉ sản xuất những dạng máy lốc gia công những sản phẩm có prôfin đơn giản như: U, C, tròn, dạng sóng (tấm lợp), tuy nhiên để tập trung vào nội dung chính đề tài tác giả chỉ xin tập trung vào khả năng công nghệ của máy lốc 4 trục, bắt đầu bài toán lốc cơ bản là lốc trụ tròn, từ đó căn cừ vào đó để lên phương án và nguyên lý cho các dạng lốc khác như lốc tự do, lốc vuông, lốc e líp, lốc côn …Dưới đây là một số biên dạng sản phẩm của máy lốc tôn 4 trục (Hình 1)

Hình 1.1: Biên dạng một số sản phẩm của máy lốc tôn 4 trục

1.2 Nghiên cứu thị trường và nhu cầu sử dụng máy lốc tại Việt Nam

Thị trường máy lốc đã tồn tại từ những năm sau chiến tranh chống Mỹ dành độc lập dân tộc và thống nhất đất nước, nhu cầu xây dựng và kiến thiết các nhà máy, xí nghiệp ở mọi nơi trên mọi miền tổ quốc Ngày nay, cùng với quá trình đô thị hóa và thực hiện Nghị quyết của Bộ chính trị là đến năm 2020 Việt Nam cơ bản trở thành nước công nghiệp Các ngành công nghiệp khai thác, công nghiệp dầu khí, công nghiệp năng lượng, nhiệt điện, thủy điện, xi măng, hóa chất … còn rất nhiều việc phải làm Việc nâng cao khả năng và phát huy nội lực nghiên cứu phát triển đồng thời thúc đẩy cơ khí trong nước phát triển là việc làm rất quan trọng Các lượng ống chịu áp lực, bồn bề, lò lung Clinker (thường phải nhập ngoại), bao hơi (100% phải nhập) … khối lượng rất lớn Việc nghiên cứu thành công một mặt góp phần nâng cao cơ sở lý luận khoa học trong việc chế tạo các sản phẩm từ máy lốc, mặt khác thúc đẩy việc tự chế tạo máy lốc trong nước, ổn định sản xuất và tiết kiệm ngoại tệ là điều cần làm cho Việt Nam trong hoàn cảnh hiện nay

1.3 Kết luận

Việc nghiên cứu máy lốc 4 trục là cần thiết trong hoàn cảnh hiện tại, phù hợp chung với xu hướng phát triển ngành cơ khí Việt Nam, đồng thời thúc đẩy công tác nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ làm chủ về công nghệ lốc 4 trục, nâng cao năng lực chế tạo cơ khí trong nước, tạo công ăn việc làm cho người lao động, tiết kiệm ngoại tệ nhập khầu thiết bị

Lốc xoáy ốc Lốc elip Lốc trái xoan

CHƯƠNG II

CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY UỐN LỐC

2.1 Tạo hình chi tiết dựa trên biến dạng dẻo kim loại

Trong kim loại, các nguyên tử (Ion) tồn tại lực tác dụng tương hỗ, gồm các lực đẩy và lực kéo Tại một nhiệt độ nhất định chúng dao động quanh vị trí cân bằng Nhờ vậy, vật thể tồn tại với một hình dáng kích thước nhất định Theo quan điểm năng lượng, các nguyên tử tồn tại ở vị trí năng lượng tự do thấp nhất, tuỳ thuộc cấu trúc tinh thể Các nguyên tử ở mạng tinh thể lập phương thể tâm (LPTT)

có năng lượng tự do cao hơn, trong khi đó ở mạng lập phương diện tâm (LPDT), năng lượng tự do thấp hơn

Dưới tác dụng của ngoại lực hoặc

nhiệt độ, làm thay đổi thế năng của

nguyên tử, các nguyên tử rời khỏi vị trí

cân bằng Ta có thể nhận thấy thông qua

sự thay đổi kích thước của vật thể Lực

càng lớn, nhiệt độ càng cao, thể năng

càng tăng Nếu năng lượng làm nguyên

tử cách xa nhau, khi năng lượng không

đủ vượt qua một giá trị nhất định,

ngưỡng lớn nhất, sau khi th‹i lực hoặc

giảm nhiệt, các nguyên tử quay về vị trí ban đầu

Sự dịch chuyển của các nguyên tử tạo ra sự biến dạng

Người ta chia ra các kiểu biến dạng : biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, phá

huỷ

Trong phương pháp uốn tấm nguội, dưới tác dụng của lực cơ học bên ngoài khi mà Fcơ học > Fđàn hồi độ biến dạng tăng nhanh theo tải trọng, khi bỏ tải trọng biến dạng không bị mất đi mà vẫn cũng một phần Biến dạng này được gọi là biến dạng dẻo

Hình 2.1 Biểu đồ thế năng giữa các

nguyên tử

Nhờ biến dạng dẻo ta có thể thay đổi hình dạng, kích thước kim loại tạo lên nhiều chủng loại phong phú đáp ứng tốt yêu cầu sư dụng

Khi biến dạng đàn hồi các nguyên tử chỉ dịch chuyển đi khoảng cách nhỏ (không quá một thông số mạng), thông số mạng tăng từ a đến a + ∆a, tức chưa sang

vị chí cân bằng mới nên khi bỏ tải trọng lại trở về vị trí cân bằng cũ Biến dạng đàn hồi xảy ra do cả ứng suất tiếp lẫn ứng suất pháp Khi biến dạng dẻo các nguyên tử dịch chuyển đi khoảng cách lớn hơn (quá một thông số mạng ) nên khi bỏ tải trọng

nó trở về vị trí cân bằng mới Biến dạng dẻo chỉ xảy ra do ứng tiếp Biến dạng dẻo thường xảy ra bằng cách trượt, đôi khi xảy ra bằng song tinh

2.1.1 Trượt

Khi tăng năng lượng tự do của nguyên tử vượt qua một giới hạn, nguyên tử kim loại chuyển dời sang một vị trí mới xa hơn và ổn định hơn, không trở về vị trí cân bằng cũ khi thôi lực tác dụng Tổng sự dịch chuyển của các nguyên tử sang vị trí mới tạo nên một độ biến dạng dẻo, hay một sự thay đổi hình dáng và kích thước vật thể, gọi là biến dạng dẻo, hay biến dạng dư Để tạo nên sự dịch chuyển sang vị trí mới không gây nên sự phá huỷ các mối liên kết, phải bảo đảm trong quá trình các nguyên tử dịch chuyển khoảng cách giữa các nguyên tử không được vượt quá kích thước vùng lực tác dụng tương hỗ kéo giữa các nguyên tử (hình 1.1) Khi cất tải, biến dạng sau khi biến dạng dẻo, các nguyên tử có xu thế chiếm vị trí cân bằng mới, thiết lập lại mối quan hệ và liên kết giữa các nguyên tử Nhưng biến dạng dẻo không làm thay đổi thể tích của vật thể biến dạng

2.1.2 Phá huỷ

Phá huỷ là ngoài sự thay đổi hình dáng và kích thước của vật thể dưới tác dụng của ngoại lực, sau khi cất tải chúng không còn giữ nguyên liên kết ban đầu giữa các nguyên tử hoặc các phần Phá huỷ là nứt, gẫy, vỡ mối liên kết giữa các nguyên tử do ứng suất kéo gây nên

Cần phân biệt khái niệm biến dạng dẻo và phá huỷ

2.2 Cơ chế biến dạng dẻo – Trượt và sự chuyển động của lệch

2.2.1 Biến dạng dẻo đơn tinh thể

a Trượt và cơ chế biến dạng trượt

Hình 2.2 Trượt giữa các mặt tinh thể Biến dạng dẻo kim loại được thực hiện bằng cách trượt hoặc song tinh, đó là một quá trình chuyển dịch song song tương đối, không đồng thời giữa hai phần (lớp) rất nhỏ của mạng tinh thể Quá trình trượt xảy ra từ từ theo một mặt và phương nhất định và ưu tiên cho những mặt và phương có góc định hướng với ngoại lực thuận lợi, sao cho ứng suất tiếp lớn nhất trên mặt và phương đó lớn hơn một giá trị giới hạn

Trượt là một quá trình chuyển động tương đối giữa hai phần tinh thể, ở đây

sự chuyển dịch tương đối bao hàm một loạt mặt hoặc lớp mỏng tạo thành dải trượt,

ở những vùng trung gian giữa các mặt trượt không có biến dạng Thực nghiệm cho thấy, khoảng cách giữa các mặt trượt có giá trị khoảng 1µm, trong khi đó khoảng cách giữa các lớp nguyên tử khoảng 1 - 10µm Trượt xảy ra trên một vùng, tạo thành một mặt, chiều dày của mặt bằng đường kính nguyên tử Mặt này được gọi là mặt trượt, mặt này luôn song song với mặt tinh thể Trượt chỉ xảy ra trên một số mặt

và phương tinh thể nhất định Trên phương và mặt tính thể này thường có mật độ nguyên tử dày đặc nhất hay ở trên đó có lực liên kết giữa các nguyên tử là lớn nhất

so với mặt và phương khác Trượt phải khắc phục lực tác dụng tương hỗ giữa các

mặt tinh thể (giữa các nguyên tử trên hai mặt nguyên tử) phương trượt là phương có khoảng cách giữa các nguyên tử là nhỏ nhất

Trượt sảy ra dưới tác dụng của ứng suất tiếp, sao cho các dãy nguyên tử trong quá trình trượt vẫn giữ được mối liên kết Nếu không có mối liên kết đó, biến dạng dẻo sẽ dẫn đến phá hủy Bất kỳ một kiểu mạng tinh thể nào, trượt xảy ra trên một mặt trượt và theo một số phương trượt nhất định Tổng hợp mặt trượt – phương trượt gọi là hệ trượt

Hình 2.3 Mặt trượt và phương trượt, biểu đồ Schimid

Mạng Mặt trượt Phương

trượt

Véc tơ BERGET Số hệ trượt

1x3 = 3 6x1=6

Trượt là sự chuyển dời tương đối giữa các phần của tinh thể theo những mặt

và phương nhất định gọi là mặt và phương trượt (như Hình 1.4 biểu diễn ở dưới) Khi mẫu đơn tinh thể bị kéo ta thấy xuất hiện các bậc trên bề mặt của mẫu Điều đó chứng tỏ có sự trượt lên nhau giữa các phần của tinh thể Sự trượt xảy ra chủ yếu trên những mặt nhất định và dọc theo những phương nhất định và dọc theo những phương nhất định gọi là mặt trượt và phương trượt Thường là bằng một số nguyên lần khoảng cách giữa các nguyên tử trên phương trượt

Một mặt trượt cùng với một phương trượt nằm trên nó tạo thành một hệ trượt Các nghiờn cứu lý thuyết lẫn thực hành đều cho thấy mặt trượt và phương trượt là những mặt và phương có mật độ nguyên tử lớn nhất

Số lượng hệ trượt càng lớn thỡ khả năng xảy ra trượt càng nhiều có nghĩa là càng dễ biến dạng dẻo Bởi vậy khả năng biến dạng dẻo của kim loại có thể được đánh giá thông qua số lượng hệ trượt Qua đây có thể nhận thấy rằng những kim loại có mạng lục phương do số lượng hệ trượt hạn chế nên thường có tính dẻo kém hơn so với những kim loại có mạng tinh thể lập phương diện tâm hoặc lập phương thể tâm

Đặc điểm của trượt:

mặt tr Ư ợt

ph Ư ơng tr Ư ợt mặt tr Ư ợt

b) a)

Hình 2.4 Sơ đồ biểu diễn sự trượt: a) Hình dạng đơn tinh thể và mạng tinh thể sau khi trượt

b) Hình dạng đơn tinh thể và mạng khi trượt

+ Trượt chỉ xảy ra dưới tác dụng của ứng suất tiếp

+ Phương mạng không thay đổi trước và sau khi trượt

+ Mức độ trượt bằng một số nguyên lần khoảng cách giữa các nguyên tử

trên phương trượt

+ Ứng suất tiếp cần thiết để gây ra trượt không lớn

Thực nghiệm đó chỉ ra rằng trong một số hệ trượt biến dạng dẻo thông qua

trượt xẽ xảy ra nếu ứng suất tiếp đạt tới giá trị tới hạn τ0 Bởi vậy trên hệ trượt nào

ứng suất tiếp đạt tới giá trị τ0 trước thỡ trượt sẽ bắt đầu trên hệ đó trước

2.2.2 Song tinh

Một cơ chế thứ hai dẫn đến biến dạng dẻo trong tinh thể đó là sự tạo thành

song tinh cơ học (cần phân biệt với sự tạo thành song tinh khi có chuyển biến

ostenit) Khi ứng suất tiếp τ đạt tới một giá trị tới hạn nào đó thỡ một phần của

mạng tinh thể sẽ xờ dịch đến một vị trí mới đối xứng với phần cũn lại qua một mặt

phẳng gọi là mặt phẳng

Song tinh được xác định bằng mặt song tinh, phương song tinh và tỷ suất

song tinh Cũng như trượt, song tinh cũng tồn tại các hệ song tinh Hệ này phụ

thuộc cấu trúc vật liệu

Cấu trúc mạng Mặt tinh thể Phương song tinh Tỷ suất song tinh

LP tâm mặt {111} <112> 0.707

LP tâm khối {112} <111> 0.707 Sáu phương xếp

chặt

{102} <101> <0.15

Song tinh cũng giống như trượt chỉ xảy ra trên các mặt và các phương xác

định

Song tinh có những đặc điểm sau:

- Giống như trượt sự tạo thành song tinh chỉ xảy ra dưới tác dụng của ứng suất tiếp khác với trượt là việc tạo thành song tinh kèm theo sự thay đổi phương mạng của phần tinh thể bị xê dịch

- Khoảng xê dịch của các nguyên tử tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa chúng với mặt song tinh và có trị số nhỏ hơn so với khoảng cách nguyên tử

Ứng suất cần thiết để tạo thành đối tinh cơ học thường lớn hơn ứng suất cần thiết để gây ra trượt Bởi vậy nói chung trượt sẽ xảy ra trước và chỉ khi các quá trình trượt gặp khó khăn thỡ song tinh mới tạothành; ví dụ như trường hợp biến dạng

trong mạng lập phương thể tâm ở nhiệt độ thấp hoặc tốc độ biến dạng lớn (khi đó

giới hạn chảy tương đối cao)

Vì xê dịch của các nguyên tử khi tạo thành song tinh nhỏ nên song tinh không dẫn đến một mức độ biến dạng dẻo đáng kể trong tinh thể (chỉ mấy %) Nếu cùng với song tinh cũng xảy ra trượt thì trượt sẽ đóng vai trũ chính trong quá trình biến dạng dẻo Trong các tinh thể liên kết đồng hoá trị như Bi, Sb … toàn bộ biến dạng dẻo cho đến lúc phá huỷ chủ yếu do song tinh tạo nên, vì thế mức độ biến dạng dẻo trong các tinh thể đó rất nhỏ, chúng được coi là những vật liệu giòn Đối với những kim loại mạng lục phương xếp chặt như Zn, Mg,Cd do số lượng hệ trượt

ít nên thường tạo thành song tinh, song như trên đó nói ý nghĩa của song tinh đối với biến dạng dẻo không lớn mà quan trọng hơn là do song tinh làm thay đổi

phương mạng nên có thể làm xuất hiện một vài định hướng mới có lợi cho trước Trong trường hợp này biến dạng dẻo xảy ra trước phá huỷ tăng lên so với trường hợp chỉ có trượt đơn thuần Tuy nhiên sự thay đổi ấy không lớn nên các kim loại mạng lục phương xếp chặt vẫn là những vật liệu có tính dẻo kém

2.2.3 Tổ chức và tính chất của kim loại sau khi biến dạng dẻo

Biến dạng dẻo làm thay đổi rất mạnh tổ chức, tính chất đặc biệt là cơ tính của vật liệu cũng như kim loại

a - Trong và sau khi trược tinh thể ở xung quanh mặt trượt bị xô lệch, các hạt bị biến dạng không đều, song đều có khuynh hướng bị kéo dài, bẹt ra theo phương biến dạng Với độ biến dạng ε lớn (40 ÷ 50 %) hạt bị phõn nhỏ ra, các tạp chất và pha thứ hai bị nhỏ vụn ra, kéo dài ra tạo nên thớ (độ biến dạng ε thường được tính bằng độ giảm của tiết diện phôi khi biến dạng dẻo theo công thức ε = [(so– sf)/so] 100%, trong đó so và sf là tiết diện phôi trước và sau khi biến dạng dẻo ) Khi độ biến dạng rất lớn (70 ÷ 90%, ít gặp) các hạt bị quay đến mức các hạt và phương mạng cùng chỉ số của chúng trở nên song song với nhau (Hình 3), tạo lên một cấu trúc gọi là textua

Textua tạo nên trong trường hợp này được gọi là textua biến dạng Ví dụ khi cán:

- Các mặt {123} và {110} của A1, {100} hoặc {110} của A2, {0001} của A3 định hướng lại song song với mặt phẳng cán

- Các phương < 412 > và < 211 > của A1 , < 100 > của A2 , < 1010 > của A3 định hướng lại song song với phương cán

b- sau biến dạng dẻo trong kim loại tồn tại ứng suất dư do xô lệch mạng và biến dạng không đều giữa các hạt cũng như trên tiết diện Nói chung ứng uất bên trong có hại cho cơ tính, song cũng có trường hợp người ta cố ý tạo nờn lớp ứng suất nộn dư để nâng cao giới hạn mỏi bằng cách lăn ép,phun bi

c- sau khi biến dạng dẻo, do mạng tinh thể bị xô lệch, cơ tính kim loại thay đổi rất mạnh theo chiều hướng như hình 4

- Tăng độ cứng

- Tăng độ bền song trong đó giới hạn đàn hồi σđh và giới hạn chảy σ0,2 tăng mạnh hơn.Tức có xu hướng biến cứng, bền hoá, nhưng lại làm giảm độ dẻo và độ dai, tức có xu hướng biến giòn Hiện tượng này cũn được gọi là hoá bền biến dạng (để phân biệt với một số dạng hoá bền khác như nhiệt luyện, hợp kim hoá … )

Hóa bền biến dạng là hình thức hóa bền thông dụng trong kỹ thuật được gọi dưới nhiều tên khác nhau như: biến cứng, cứng nguội Hiệu quả mạnh nhất của hoá bền

Độ dẫn điện

Độ biến dạng Tính chất

Hình 2.7 Hình ảnh độ biến dạng đến cơ tính kim loại

biến dạng là ở giai đoạn đầu, càng về sau hiệu quả này giảm dần Khi độ biến dạng rất cao σđh và σ0,2 đạt gần tới σb, song lúc đó độ dẻo (δ) hầu như bằng không Nói chung biến dạng dẻo có thể làm tăng giới hạn bền, độ cứng từ 1,5 đến 3 lần, giới hạn chảy từ

3 đến 7 lần Các vật liệu với mạng A1 ( thép austenit, nhôm, đồng và các hợp kim của chúng ) có hiệu ứng hoá bền biến dạng mạnh hơn cả nên thường được áp dụng nhiều hơn, có hiệu quả hơn loại mang A2 ( các thép khác … ) Tuy nhiên làm giảm mạnh độ dẻo và độ dai là điều phải tính tới khi áp dụng dạng hoá bền này Trong nhiều trường hợp sau khi biến dạng dẻo, kim loại trở nên hoặc là quá cứng khó cắt gọt hay biến dạng dẻo tiếp theo, hoặc là quá giòn dễ bị gẫy ngay cả dưới tải trọng va đập nhỏ, lúc đó cần phải đưa kim loại kề trạng thái ban đầu như lúc chưa biến dạng bằng cách ủ kết tinh lại Ngoài làm thay đổi cơ tính, biến dạng dẻo cũng làm thay đổi lý, hoá tính trong đó đáng chú ý là:

- Làm tăng điện trở (do vậy đối với vật liệu dẫn điện như dây đồng, nhôm phải tránh dùng ở trạng thái biến cứng )

- Làm giảm mạnh tính chống ăn mòn

2.3 Xác định các thông số, năng lượng, lực và công nghệ trong quá trình biến dạng 2.3.1 Khái niệm uốn, đặc điểm công nghệ và lý luận về uốn

a) Khái niệm

- Uốn là một trong những phương pháp gia công biến dạng dẻo kim loại thường gặp được thực hiện trong vùng biến dạng dẻo cho phép của vật liệu

- Quá trình uốn tấm được thực hiện do biến dạng dẻo-đàn hồi xảy ra khác nhau ở hai mặt của phôi uốn

- Phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của vật uốn, dạng phôi ban đầu đặc tính của quá trình uốn như : Uốn khuôn, Uốn trên gá bằng tay hoặc trên máy chuyên dùng

b) Đặc điểm công nghệ

- Uốn hầu như không biến mỏng chiều dày của tấm hoặc phôi tấm ngoại trừ cục bộ ở một số vị trí do góc uốn có làm cho phôi tấm bị mỏng đi đôi chút

- Sản phẩm thông thường là uốn nguội, nhưng trong một số trường hợp ta có thể uốn nóng để giảm lực uốn, tăng khả năng uốn cho vật liệu

- Không uốn được các sản phẩm đã qua xi mạ vì các góc biến dạng làm phá

vỡ lớp xi mạ

- Uốn qua hệ thống trục có thể cho sản phẩm có chiều dài, độ dày lớn, liên tục

- Quá trình uốn tuân theo định luật Hook tổng quát:

c) Lý luận cơ bản về uốn

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

- Khi uốn cong mặt trong của nguyên vật liệu (mặt tiếp xúc với chày ) thì bị tác dụng nén lại; còn mặt ngoài (mặt tiếp xúc với chày) thì bị kéo dài

x0

§ uêng trung tÝnh

Hình 2.8 Mô tả một trường hợp uốn

- Ở giữa mặt ngoài và mặt trong của nguyên vật liệu có một lớp trung gian không bị khéo và bị nén, ta gọi là lớp trung tính

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

+ Trong quá trình uốn đặc biệt là đối với tấm vật liệu hới dày chiều rộng mép

ngoài sẽ giảm đi, còn mép trong chiều rộng sẽ tăng lên Khi tấm vật liệu tương đối

lớn (lớn hơn chiều dày từ 20 ÷ 30 lần ) thì hiện tượng này chỉ trông thấy ở mép tấm

hệ số giảm mỏng khi uốn 900 ( thép 10 – 20 )

Hình 2.9 Mô tả ví dụ về độ giảm mỏng đối với vật liệu chịu uốn

t1 : là chiều dày nguyên vật liệu sau khi uốn

t : là chiều dày nguyên vật liệu trước khi uốn

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

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

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

ChiÒu dÇy nguyªn vËt liÖ

+ Sau khi uốn cong cơ lý tính của bộ phận uốn cong thay đổi, độ cứng tăng lên, ứng suất tăng lên, ngoài ra bộ phận uốn cong của sản phẩm nguội, tăng nhiệt

độ sẽ làm cho các tinh thể kết tinh thô to, cho nên không thể lấy bộ phận uốn cong

để làm tiếp được

b) Quá trình uốn:

Hình 2.10 Một số dạng uốn chữ V

Thí dụ: xét quá trình uốn hình chữ V ta thấy

+ Bán kính uốn của vật uốn thay đổi từ to đến nhỏ, cự ly của điển tựa uốn cong lo, l1, l2 giảm hoàn toàn khít vào nhau

+ Trong quá trình uốn: bán nhỏ dần cho đến lk Lúc đầu dập xuống đến khi tấm nguyên liệu và chày hoàn toàn khít, bán kính của mặt trong vật liệu lớn hơn bán kính của chày

+ Vì mặt ngoài vật uốn xảy ra tác dụng kéo dài rất lớn góc nhọn của chày phải thẳng góc với hướng sắp xếp của thớ thép cán ( hoặc gần bằng 90o) nếu không

2.3.2 Điều kiện ăn phôi

Cũng như máy cán, điều kiện để vật liệu dạng tấm được ăn vào trục lốc, vận tốc của của tấm tại thời điểm lốc bằng vận tốc dài của trục lốc đỉnh và trụng lốc đáy tại thời điểm đang xét

Khác với cán vì cơ bản độ dày của vật liệu trước khi uốn và sau khi uốn cơ bản là không thay đổi, hệ số giảm mỏng (t/t1 =1) hay nói khác đi ∆t = t1 – t xấp xỉ bằng 0 Như vậy, để vật liệu tấm được cuốn theo trục lốc với một vận tốc được xác định thì phụ thuộc vào lực kẹp, độ nhám của vật liệu, góc ăn kim loại (khi uốn)

- Khi chưa uốn, thao tác ban đầu chúng ta phải là phẳng tôn một lượt trước khi lốc điều kiện chuyển động của phôi tấm hoàn toàn chỉ phụ thuộc vào lực kẹp phôi, vận tốc của trục lốc Lúc này phôi được chuyển động theo mặt phẳng tiếp tuyến với trục đỉnh, mặt phẳng này vuông góc với mặt pháp tuyến của trục lốc trên và trục lốc dưới, trục lốc dẫn phía dưới đẩy phôi lên tạo ra lực kẹp đủ lớn để phôi luôn tiếp xúc với trục đỉnh Tạo ra một lực vừa có tác dụng kẹp, vường có tác dụng miết trên bề mặt phôi để kéo phôi theo ở trạng thái cán Lực miết này đủ lớn để kéo phôi chuyển động theo một cách dễ dàng

- Khác với cán, việc ăn phôi là do chúng ta có thể đặt tấm phôi bằng độ dày từ

2 đến 2.5 chiều dày cho loại vật liệu thép tấm t = 86mm (Flat end)

Thể tích của khổ thép theo tính toán: V = 11600.3000.86 (mm3) = 2992,8

dm3 thì: mphôi = 2992,8.7,85 =23493,48 kg, Pphôi = 234934,8 N

Ta gọi β: là góc ma sát, f: hệ số ma sát đối với cán nguội f = 0,03 ÷ 0,18 Theo công thức về cán ta gọi góc ăn phôi là: α

Khi chúng ta là phẳng vật liệu tấm α = 0, suy ra Cos α = 1

Vì t – t1 = 0 < R.f2 = 320 0,03 = 9,6 nên thỏa mãn điều kiện ăn phôi Do vậy theo lý thuyết về cán áp dụng cho trường hợp là luột phôi này hoàn toàn phù hợp và trục dẫn hoàn toàn có khả năng kéo phôi theo trong trường hợp động cơ trục dẫn được tính toán đầy đủ

Ta tính với trường hợp α ≠ 0, tức là trục bên đã nâng lên hợp với phương ngang một góc, điểm tiếp xúc giữa phôi đến điểm kẹp tạo ra một vùng biến dạng

Từ điểm tác dụng lực uốn đến tâm của trục đỉnh luôn tạo với nhau 1 góc, góc này luôn nhỏ hơn 900 và chỉ duy nhất tiếp súc dạng đường giữa phôi trục đỉnh, trục đáy

Do vậy lực cán cũng không cần quá lớn để kéo phôi

Để tránh hiện tượng trượt của phôi, vận tốc dài của trục 640mm tối là:

.1000Π

=

Với n là số vòng quay của trục

Dđỉnh là đường kính trục lốc đỉnh n1

p v

700.14,3

8.1000

Dđáy là đường kính trục lốc đáy (trục giữa) n2

p v

640.14,3

8.1000

Như vậy, điều kiện để ăn phôi và không bị trượt phôi, vận tốc của trục dẫn đỉnh tối đa là n1 = 3,64 vòng/phút Trục dẫn đáy n2 = 4 vòng/phút

2.3.3 Lớp trung hòa biến dạng và cách xác định

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

t

Hình 2.11 Bán kính cong của lớp trung hòa biến dạng

Khi uốn với bán kính uốn lớn, vị trí lớp trung hòa biến dạng nằm ở giữa chiều dày của dải phôi Nghĩa là, bán kính cong ρbd của lớp trung hòa biến dạng được xác định theo công thức

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

ρbd = ( ).ξ.t

Trong đó: ξ = : hệ số giảm chiều dài

t1 : chiều dày trước khi uốn

t2 :chiều dày sau khi uốn

r : bán kính uốn b: Chiều rộng ban đầu của dải

btb: Chiều rộng trung bình sau khi uốn btb = (b1 + b2)

b1, b2 : Chiều rộng ở phía trên và phía dưới của dải sau khi uốn Khi chiều rộng của phôi lớn thì tỷ số Lúc đó:

ρbd = ( ).ξ.t

Trong thực tế sản xuất, để đơn giản cho quá trình tính toán, bán kính cong của lớp trung hòa được xác định

ρbd = r + X0.t Trong đó

X0.t =

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

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

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

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

ρbd = ( )

Trong đó: r : bán kính uốn

: hệ số chiều dày theo hướng kính

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

Hệ số giảm mỏng ξ tính theo tỉ số r/t theo bảng

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

Khi mức độ biến dạng ít

rmin = Hay :

rmin = Khi mức độ biến dạng nhiều:

rmin = Khi đường uốn nằm dọc theo hướng cán, để cho chi tiết không bị nứt, gãy thì mức độ giới hạn lấy giảm đi

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

Với phương án tính toán và mối quan hệ giữa rmin và ψmax chỉ phù hợp đối với

lý thuyết uốn tôn mỏng, và các góc định hình 1 lần ví dụ như uốn V, uốn U theo dạng trấn, hoặc theo khuôn định hình

Bán kính uốn phụ thuộc vào ψ

25

20

18

15 10,9

1,15t 1,7t 2,0t 4,0t 5,0t Nhưng trong thực tế ta thường xác định bán kính uốn nhỏ nhất theo công thức : rmin = K.t với k = hệ số tra theo bảng sau đối với nhiều loại vật liệu khác nhau

Bảng 2.4: Hệ số kinh nghiệm (K)

Trạng thái ram hoặc ủ Trạng thái hoá cứng

Hướng đường uốn Nguyên vật liệu vuông góc

với thớ kim loại

song song với thớ kim loại

vuông góc với thớ kim loại

song song với thớ kim loại

Thép 45÷50 CT6 0,5 1,0 1,0 1,7

Thực ra rmin còn chịu nhiều ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nên cần phải

xét vào điều kiện cụ thể mà hiệu chỉnh; những nhân tố ảnh hưởng lớn gồm:

- Cơ lý tính của vật liệu và trạng thái nhiệt luỵên Nếu vật liệu có tính dẻo tốt

và không bị biến cứng ta có thể giảm nhỏ rmin

- Góc uốn Ta thấy cùng bán kính uốn nhưng nếu góc uốn nhỏ thì khu vực

biến dạng càng lớn, do biến dạng lớn như vậy nên bán kính uốn nhỏ nhất cho phép

phải tăng lên

- Góc tạo thành bởi đường uốn và thớ kim loại: Vì kim loại chịu kéo và nén

theo phương của thớ kim loại thì tốt hơn nhiều so với khi kéo và khi nén vuông góc

với thớ kim loại Cho nên khi đường uốn vuông góc với thớ kim loại thì rmin cho

phép nhỏ hơn rmin khi đường uốn song song với thớ kim loại từ 40 ÷ 5% Vậy khi

uốn chi tiết mà có hai đường uốn có hướng khác nhau thì phải bố trí thế nào để cho

hai đường uốn đều làm với thớ một góc α > 30o

Đối với uốn tấm, theo tài liệu Công nghệ tạo hình tấm để xác định bán kính

cong nhỏ nhất khi uốn phôi dải rộng (hoặc tấm) việc xác định biến dạng ngang rất

khó do các lớp ngoài cùng bị kéo, bị biến dạng trong điều kiện kéo hai chiều Vì thế

trong việc uốn tấm dải rộng chúng ta sử dụng công thức G.A.Smirnov-Aliev để xác

định bán kính uốn nhỏ nhất chính xác hơn

*min =

Từ công thức này U.M.Arusenxki đã đưa ra công thứa xác định

r*min = Trong đó T = 2

Trong đó: r*

90 :là hệ số biến dạng của mẫu được cắt ra từ tấm theo phương vuông góc với thớ cán

r*0 :là hệ số biến dạng ngang của mẫu được cắt ra từ tấm dọc theo hướng cán

П* :là hệ số độ cứng được tính theo công thức sau:

2.3.5 Hiện tượng đàn hồi sau khi uốn và cách khắc phục

Uốn là một quá trình biến dạng dẻo có kèm theo biến dạng đàn hồi Do tính chất đàn hồi của vật liệu, sau khi uốn biến dạng đàn hồi mất đi, kích thuốc và hình dạng sản phẩm thay đổi so với kích thước và hình dạng khuôn, hiện tượng đó gọi là hiện tượng đàn hồi khi uốn

Hiện tượng đàn hồi khi uốn thường gây ra sự sai lệch về góc uốn và bán kính uốn Vì vậy muốn cho chi tiết có góc và bán kính uốn đã cho thì góc và bán kính uốn của khuôn phải thay đổi một lượng đúng bằng trị số đàn hồi

Bằng thực nghiệm người ta xác định được rằng trị số đàn hồi phụ thuộc chủ yếu vào loại và chiều dày vật liệu, hình dạng chi tiết uốn, bán kính uốn tương đối r/t; lực uốn và phương pháp uốn

Khi giới hạn chảy của vật liệu càng cao, tỷ số r/t càng lớn và chiều dày vật liệu t càng nhỏ thì hiện tượng đàn hồi càng lớn

Trị số đàn hồi có thể được xác định bằng phương pháp thực nghiệm hoặc giải tích

Khi uốn với tỷ số (r/t) <10 thì sai lệch chủ yếu là góc uốn, còn bán kính uốn thay đổi không đáng kể Trị số góc đàn hồi cho sẵn trong sổ tay

Khi uốn với tỷ số (r/t)>10 thì sau khi uốn cả góc uốn và bán kính uốn đều bị thay đổi Khi đó bán kính cong của chày có thể xác định bằng công thức

rchày = Trong đó r’: bán kính của sản phẩm (sau khi đàn hồi)

k0 = – hệ số uốn

σs: Giới hạn chảy của vật liệu E: Mô đun đàn hồi của vật liệu

T: Chiều dày vật liệu

- Góc đàn hồi β được xác định theo công thức

Β = (1800 – α0) (

α0: Góc của chi tiết sau khi đàn hồi Thường không thể uốn những chi tiết mảnh và dài với những bán kính uốn r>15S bằng phương pháp thông thường do sự đàn hồi lớn Muốn nhận được chi tiết dạng này người ta phải sử dụng phương pháp uốn có kéo Khi uốn có kéo lớp trung hòa biến dạng không đi qua trọng tâm tiết diện ngang của phôi mà dịch chuyển đáng kể về phía tâm cong Lực kéo càng lớn thì khoảng dịch chuyển càng nhiều và thường nằm ngoài tiết diện ngang của phôi

* Cách khắc phục giảm biến dạng đàn hồi khi uốn:

- Phương pháp thứ nhất là bù góc, hoặc bù độ cong (tức chuyển vị của uốn) tức là tính toán một lượng dư góc vừa đủ (hoặc độ cong vừa đủa) để sau khi uốn lốc

và đàn hồi trở lại ta được độ cong của vật liệu như ý muốn Thực ra trong thực tế việc tính toán không bao giờ chính xác, việc gia công trên máy thường được đo thực

tế, dựa trên kết quả tính toán

- Phương pháp thứ hai là thay đổi kết cấu của chi tiết uốn, phương pháp này thường được sử dụng trong thực tế, tức là thêm một số gia cố như gân tăng cứng, gông, ngàm, kẹp, co kéo và được hàn lại Việc làm này sẽ làm kìm hãm biến dạng đàn hồi của chi tiết khi bỏ tải, góp phần làm giảm góc đàn hồi

e) Ảnh hưởng của tình trạng mặt cắt vật liệu:

Khi chuẩn bị phôi liệu để uốn, trên mặt cắt có ba via hoặc những thiếu sót thì

sẽ sinh ra ứng suất tập trung để sinh ra nứt nẻ khi uốn cho nên rmin cũng tăng lên theo kinh nghiệm là 1,5 ÷ 2 lần

a>30

- Hiện tượng đàn hồi sau khi uốn:

Hình 2.12 Sơ đồ biểu diễn sự đàn hồi sau khi uốn

Trong quá trình uốn cong một phần kim loại chỉ bị biến dạng đàn hồi do đó sau khi nhấc chày khỏi cối thì vật uốn sẽ có hình dáng không hoàn toàn giống hình dạng của cối nữa Đó là hiện tượng đàn hối sau khi uốn Vì thế khi thiết kế uốn nên chú ý đến trị số đàn hồi

Trong thực tế muốn uốn một góc là α nhưng sau khi uốn lại được góc là α0,

ta thường gọi là đàn hồi trở lại

có thể tính toán được dựa trên thông số cơ tính của vật liệu để tính lượng đàn hồi

mà từ đó quyết định lốc 1 lần, 2 lần n lần để có độ cong nhất định Rồi từ đó sử

dụng thiết bị đo hoặc dưỡng đo để đảm bảo có được kích thước uốn như mong muốn

- Đối với trường hợp uốn thanh hình chữ V

E t x

0

1

−

=

l = chiều rộng miệng cối

t = chiều dày nguyên vật liệu

x0 = vị trí lớp trung tính: ta có thể tra bảng sau:

Bảng 2.5 Hệ số x0 để xác định góc đàn hồi khi uốn chữ V

l

.)

1(.75,0

1500) thì xác định như sau:

90α β

βα = ( α = góc uốn bất kỳ)

βα là góc đàn hồi trở lại tương ứng với góc uốn α

β90 là góc đàn hồi trở lại ứng với góc uốn 900