Nghiên cứu ép ống đồng ứng dụng trong các hệ thống truyền nhiệt

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA \¿\ NGUYỄN PHAN THANH XUÂN Đề tài : NGHIÊN CỨU ÉP ỐNG ĐỒNG ỨNG DỤNG TRONG CÁC HỆ THỐNGTRUYỀN NHIỆT Chuyên ngành : CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, tháng 6/2006 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THANH Cán chấm nhận xét : TS LƯU PHƯƠNG MINH Cán chấm nhận xét : TS LƯƠNG THU GIANG Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2006 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày tháng năm 2006 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : NGUYỄN PHAN THANH XUÂN Phái : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 02 – 02 – 1980 Nơi sinh : Quảng Nam Chuyên ngành : CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY I- TÊN ĐỀ TÀI : MSHV : 00403105 “NGHIÊN CỨU ÉP ỐNG ĐỒNG ỨNG DỤNG TRONG CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN NHIỆT” II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : - Nghiên cứu lý thuyết ép ống đồng đưa quy trình sản xuất ống đồng - Tính toán trình ép ống đồng phương pháp giải tích phần tử hữu hạn - Ứng dụng Matlab để giải toán ép ống đồng - Thiết kế dụng cụ ép ống đồng III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THANH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày TRƯỞNG PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH NGÀNH tháng năm 2006 TRƯỞNG KHOA QL LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THANH tận tình hướng dẫn em thực đề tài Xin cảm ơn : - Tập thể Thầy Cô thuộc Khoa Cơ Khí Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM - Thầy TS LƯU PHƯƠNG MINH – Chủ nhiệm môn Thiết bị Công nghệ vật liệu - Các bạn lớp Cao học Khóa 14 dẫn, đóng góp ý kiến, giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi để luận văn hoàn thành Xin cảm ơn lãnh đạo CÔNG TY ACECOOK VIỆT NAM dành thời gian gánh vác công việc cho thời gian học thực đề tài Xin cảm ơn CƠ SỞ ÉP THỦY LỰC MINH ĐỨC tạo điều kiện cho tìm hiểu nghiên cứu thời gian thực đề tài Xin tỏ lòng biết ơn đến gia đình tạo điều kiện cho kết ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM THÁNG 6/2006 NGUYỄN PHAN THANH XUÂN TÓM TẮT Trong luận văn bao gồm nội dung sau : Thực trạng phương hướng phát triển ép ống đồng Lý thuyết ép ống đồng quy trình công nghệ sản xuất ống đồng Tính toán dụng cụ trình ép ống đồng phương pháp giải tích phần tử hữu hạn Ứng dụng Matlab để giải toán ép ống đồng Thiết kế dụng cụ ép ống đồng TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên : NGUYỄN PHAN THANH XUÂN Ngày, tháng, năm sinh : 1980 Nơi sinh : Quảng Nam Địa liên hệ : 67 Đường Liên Khu 2-10, P Bình Hưng Hòa A, Quận Bình Tân, Tp Hồ Chí Minh QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO : - 1998 ÷1999 : học đại cương Trường Đại Học Đại Cương ( Thủ Đức) - 1999 ÷ 2003 : học chuyên ngành Trường Đại Học Bách Khoa TpHCM - 2003 đến : học viên Cao học Trường Đại Học Bách Khoa TpHCM QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC : - 2003 ÷ 2005 : làm việc Công Ty Nước Ngầm - 2005 đến : làm việc Công Ty TNHH ACECOOK VIÊT NAM MỤC LỤC trang Lời nói đầu CHƯƠNG 1 THỰC TRẠNG VÀ PHƯƠNG HÙNG PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT ÉP ỐNG ĐỒNG 1.1 Lịch sử sản xuất ống đồng giới tình hình sản xuất ống đồng Việt Nam 1.1.1 Lịch sử sản xuất ống đồng giới 1.1.2 Tình hình sản xuất ống đồng Việt Nam 1.2 Tầm quan trọng ống đồng hệ thống truyền nhiệt 1.3 Đặt vấn đề nghiên cứu kỹ thuật ép ống đồng 1.4 Các nghiên cứu kỹ thuật ép ống có 1.4.1 Phương pháp ép ống 1.4.1.1 Ép ống thuận 1.4.1.2 Ép ống nghịch 1.4.1.3 Ép va đập 1.4.2 Phương pháp tính toán 10 1.5 10 Hướng nghiên cứu đề xuất 1.5.1 Trạng thái ép ống 11 1.5.2 Phương pháp ép ống đồng 12 1.6 14 Phương pháp mục tiêu nghiên cứu luận văn 1.6.1 Phương pháp nghiên cứu 14 1.6.2 Mục tiêu nghiên cứu 14 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ ÉP ỐNG ĐỒNG trang 2.1 Bài toán ép ống đồng 15 2.1.1 Các vùng trình ép 15 2.1.2 Các bước tiến hành giải toán 16 2.2 17 Điều kiện biên toán 2.2.1 Điều kiện biên vật thể 17 2.2.2 Điều kiện biên tính toán trình ép ống đồng 18 2.3 19 Vật liệu đồng – phôi ép 2.3.1 Vật liệu đồng 19 2.3.2 Phôi ép 21 2.4 21 Các tham số ảnh hưởng đến trình ép ống đồng 2.4.1 Nhiệt độ phôi ép 21 2.4.2 Tỉ lệ ép ống 22 2.4.3 Tốc độ ép ống 23 2.4.4 Ứng suất chảy 24 2.5 25 Lực ép ống 2.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực ép 25 2.5.2 Xác định lực ép thực nghiệm 26 2.5.3 Xác định lực ép giải tích 27 2.6 Ảnh hưởng ma sát bôi trơn 30 2.7 Sự phân bố nhiệt độ trình ép đồng 32 2.7.1 Nhiệt độ trình biến dạng 32 2.7.2 Ảnh hưởng phân bố nhiệt độ 34 trang 2.7.3 Hiệu ứng nhiệt biến dạng dẻo 37 2.8 Dòng chảy vật liệu 38 2.9 Thiết bị ép ống đồng 40 2.10 Quy trình công nghệ sản xuất ống đồng 42 CHƯƠNG 3.1 TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH ÉP ỐNG ĐỒNG Các phương pháp mô hình vật lý vật liệu 44 3.1.1 Kiểm tra tính chất học 44 3.1.2 Mô hình vật liệu 44 3.1.3 Mô hình phần tử hữu hạn 46 3.2 46 Phương pháp phần tử hữu hạn toán ép ống đồng 3.2.1 Các bước tiến hành 46 3.2.2 Các giả thuyết tính chảy dẻo 47 3.2.3 Nguyên lý biến phân Markov cải tiến 47 3.2.4 Ma trân độ cứng 49 3.2.4.1 Phần tử tam giác 49 3.2.4.2 Phần tử tứ giác 53 3.2.5 Lực ma sát vị trí biên 54 3.2.6 Tính toán 55 3.3 56 Ứng dụng Matlab phần tử hữu hạn 3.3.1 Bài toán ép ống 56 3.3.2 Chương trình Matlab 57 3.3.3 Kết nhận xét 66 trang CHƯƠNG THIẾT KẾ DỤNG ÉP ỐNG ĐỒNG 4.1 Các bước tiến hành thiết kế dụng cụ ép 69 4.2 Vật liệu gia công dụng cụ 70 4.3 Dụng cụ ép ống đồng 71 4.3.1 Khuôn ép 71 4.3.2 Buồng ép 76 4.3.3 Nòng ép trục tâm tạo lỗ 79 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 82 Tài Liệu Tham Khảo 84 71 4.3 Dụng cụ ép ống đồng Thành phần : khuôn ép, buồng ép, nòng ép trục tâm tạo lỗ 4.3.1 Khuôn ép - Một yêu cầu trình ép ống dòng chảy kim loại phải dễ dàng ổn định vùng chết (vùng vào khuôn) Để hiểu vấn đề dựa vào giá trị suất biến dạng, số lượng giá trị suất biến dạng lớn, nhiều giúp trình ép ống thuận lợi Ngược lại khó khăn, nguyên nhân tỉ lệ ép lớn, nhiệt độ phôi nung không đồng đều, chất lượng bề mặt gia công buồng khuôn ép, chế độ bôi trơn đặc biệt góc côn vào khuôn - Chất lượng sản phẩm chủ yếu phụ thuộc vào khuôn ép Do để đảm bảo trình thực gia công áp lực tốt, khuôn ép phải chịu mài mòn, chịu nhiệt, kết cấu bền vững điều quan trọng hình dáng kích thước khuôn thay đổi làm việc nhiệt độ, áp lực cao - Khuôn ép phận thường xuyên phải thay Thời gian thay tính theo số lượng sản phẩm khuôn Khi thiết kế yêu cầu phải thuận lợi cho việc lắp ráp nhằm giảm thiểu thời gian chờ máy ảnh hưởng đến suất sản xuất Các loại khuôn dùng để ép ống : + Loại hình côn Hình 4.1 + Loại hình phểu Khuôn ép loại hình côn 72 Hình 4.2 Khuôn ép loại hình phểu + Loại kết hợp : có dạng (a) (b) Hình 4.3 Khuôn ép loại kết hợp 73 Với loại khuôn ép ống trên, dạng kết hợp tối ưu kim loại biến - dạng dẻo chui qua khuôn dễ hơn, giảm đáng kể lực ép, đoạn cuối hình côn phôi dễ thoát - Thông số khuôn : + H : chiều cao khuôn phụ thuộc vào lực ép H≥ Pep [σ ].E A (4-1) + Góc côn đoạn vào khuôn Với α thấp dẫn đến bề mặt làm việc lớn, tăng ma sát yêu cầu lực ép phải lớn Với α lớn dẫn đến hỗn loạn dòng chảy vùng vào khuôn đòi hỏi phải tăng lực ép Hình 4.4 Mối tương quan lực ép góc khuôn + Chiều dài đoạn định kính đủ để tạo đường kính sản phẩm ống, thực tế chọn h = ÷12 mm 74 - Theo tài liệu [11], mối quan hệ tỉ lệ ứng suất đầu vào/đầu với góc thoát khuôn (hình 3.9) Có thể dựa vào mối quan hệ ta chọn góc côn α hợp lý Trên thực tế thường chọn α = 25÷300 Hình 4.5 - Mối quan hệ tỉ lệ ứng suất đầu vào/đầu với góc côn khuôn Trong toán ép ống mục 3.3.1, góc côn α = 26.560, hệ số ma sát m = 0.1, giá trị tốc độ biến dạng phần tử tăng dần hướng vào tâm vùng chết (max=15.5676 s-1) Tuy nhiên khu vực vào đoạn định kính gãy khúc tốc độ biến dạng thay đổi giảm đột ngột (1.9151 s-1), để trình biến dạng kim 75 loại thuận lợi phải bo góc lượn R Đối với toán khuôn thiết kế sau : (a) (b) Hình 4.6 4.3.2 Buồng ép Khuôn ép 76 Hình 4.3 - Buồng ép Quá trình ép xảy buồng ép chịu ma sát, chịu nhiệt, lực ép lớn Bề mặt buồng ép làm việc cường độ cao nên hao mòn nhanh ảnh hưởng đến tuổi thọ Chu kỳ thay thường tính theo khối lượng ống đồng ép Để kéo dài tuổi thọ, yêu cầu buồng phải đạt độ bền cao, chất lượng bề mặt làm việc đạt độ bóng cao nhằm giảm ma sát, vật liệu gia công phải qua xử lý nhiệt - Trong toán mục 3.3.1, dựa vào liệu đầu vào tính toán xác định thông số buồng ép đường kính (công thức 4-7), chiều dài thiết kế hình 4.8 - Khi tiến hành ép kim loại đồng biến dạng dẻo chui qua khuôn tạo sản phẩm ống, khối lượng kim loại biến dạng nóng tác động vào buồng ép sinh thành phần ứng suất : + Ứng suất hướng kính : σr = p.r R2 − r ⎛ R2 ⎞ ⎜⎜1 − ⎟⎟ r ⎠ ⎝ (4-2) 77 + Ứng suất tiếp tuyến : σr = p.r R2 − r ⎛ R2 ⎞ ⎜⎜1 + ⎟⎟ r ⎠ ⎝ (4-3) + Ứng suất theo chiều trục ảnh hưởng khuôn : p.r σz = R − r2 - (4-4) Theo thuyeát lượng độ bền, giá trị ứng suất tương đương xác định σ td = - (σ t − σ z ) + (σ z − σ r ) + (σ r − σ t ) 2 Ứng suất cho phép : [σ ] = σ τ n - Từ ta xác định : [σ ] R = r [σ ] − p : r : đường kính buồng R : đường kính buồng p : áp suất kim loại biến dạng nóng ép στ : giới hạn chảy kéo n : hệ số an toàn theo giới hạn chảy [σ] : ứng suất cho phép (4-5) (4-6) (4-7) 78 Hình 4.8 - Buồng ép Do để thuận lợi cho việc thay phù hợp công nghệ gia công, có thêm thành phần áo bọc vỏ bọc (hình 4.9) Ngoài chức dễ thay thế, lắp đặt hệ thống giải nhiệt kiểm soát nhiệt độ Mục đích toán thực trình ép ống đẳng nhiệt, độ chênh lệch nhiệt độ vùng cho phép khoảng 500C nhiệt sinh phi tuyến (hình 4.10) Có thể điều chỉnh trường nhiệt độ cách hiệu chỉnh tốc độ làm nguội tốc độ ép Hình 4.9 Thành phần áo vỏ bọc buồng ép nhiệt độ 79 trình biến dạng sản phẩm ống ma sát dụng cụ ép phôi ép ban đầu bắt đầu Hình 4.10 kết thúc Biểu đồ nhiệt độ trình ép ống 4.3.3 Nòng ép trục tâm tạo lỗ - Nòng ép Hình 4.11 Nòng ép Lực truyền từ máy ép đến nòng trục tâm tạo lỗ, nòng ép tiếp xúc ép phôi sau thực trình tạo lỗ Để trình ép ống xảy thuận lợi yêu cầu vật liệu phải đạt độ bền nén, chịu ma sát, chịu nhiệt cao Đường kính nòng ép tính toán theo buồng ép 80 Ứng suất nén nòng ép : σ= Pep = A 4.Pep (4-8) π ( D − d ) Chọn vật liệu gia công nòng ép Biến dạng nòng ép bị nén Δl = : Pep E A σ ≤ [σ ]n (4-9) h0 Pép : lực ép ống D : đường kính nòng ép d : đường kính nòng ép (chính đường kính trục tâm tạo lỗ) h0 : chiều dày E : môđun đàn hồi vật liệu A : tiết diện ngang nòng ép [σ] : ứng suất nén cho phép - Trục tâm tạo lỗ Hình 4.12 Trục tâm tạo lỗ + Đường kính trục tâm đường kính sản phẩm ống, đầu trục tâm thường dạng dùi (côn) để giảm lực ép trình tạo lỗ dễ dàng 81 + Chiều dài xác định l ≥ l + h + x d + xl (4-10) : l0 : chiều dài trục tâm tính từ mặt tiếp xúc ép nòng l : chiều dài phôi ép h : chiều dài đoạn thoát khuôn xđ : chiều dài đoạn định kính khuôn xl : chiều dày lông đền + Ở toán mục 3.3.1, nòng ép trục tâm tạo lỗ thiết kế chung chi tiết (hình 4.13) Yêu cầu lắp ráp thành phần dụng cụ ép phải đạt độ đồng tâm cao, độ lệch tâm cho phép nhỏ ½ độ dung sai cho phép sản phẩm ống sau ép 12,5 Hình 4.13 Nòng ép trục tâm tạo lỗ 82 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Kết luận - Hệ thống thuỷ lực sử dụng phổ biến tất ngành công nghiệp dây chuyền sản xuất tự động Công nghệ gia công áp lực với nhiều phương pháp cán, ép, kéo, dập, uốn … Tuy nhiên việc sử dụng lực ép từ hệ thống thuỷ lưc dùng để gia công cho vật liệu kim loại hạn chế Với tính lực ép lớn, làm việc êm, dễ điều khiển, bảo trì đặc biệt gia công chi tiết phức tạp theo khuôn với suất cao Nghiên cứu kỹ thuật ép ống đồng bước quan trọng ngành sản xuất ống đồng hợp kim đồng ứng dụng hệ thống truyền nhiệt - Trong quy trình công nghệ sản xuất ống đồng, khâu quan trọng kỹ thuật ép ống Sử dụng phương pháp ép ống kết hợp nghịch - thuận với hành trình đánh giá phương pháp hữu hiệu, với truyền động đơn giản tạo lực ép lớn Dụng cụ ép thiết kế đơn giản, dễ chế tạo Năng suất ép, chất lượng sản phẩm cao Có thể nói đạt hiệu kinh tế kỹ thuật - Trong luận văn làm việc sau : + Nghiên cứu lý thuyết ép ống đồng đưa quy trình công nghệ sản xuất ống đồng + Tính toán trình ép ống đồng phương pháp giải tích phần tử hữu hạn + Ứng dụng Matlab để giải toán ép ống đồng + Thiết kế dụng cụ ép ống đồng - Vì thời gian kiến thức hạn hẹp nên đề tài tránh thiếu sót, mong đóng góp quý thầy, quý cô bạn bè 83 Đề nghị Trong luận văn nhiều tồn chưa giải quyết, để hoàn thiện đề nghị : - Trên sở lý thuyết tính toán trình ép ống đồng nghiên cứu, lấy thông số công nghệ tiến hành nghiên cứu thực nghiệm nhằm xây dựng : + Quy luật phân bố nhiệt độ ép ống đồng, nhiệt độ yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến trình biến dạng dẻo + Sự ảnh hưởng thông số công nghệ, dụng cụ ép đến tính chất học, chất lượng bề mặt độ xác kích thước sản phẩm ống đồng - Do việc chia lưới ứng dụng phần mềm Matlab tính toán trình ép ống đồng tay nhiều ảnh hưởng đến độ xác thời gian tính Cần xử lý lưới cách tự động để phát triển mô trình ép ống đồng hoàn thiện 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO HÀ MINH HÙNG – ĐINH BÁ TRỤ Lý thuyết biến dạng dẻo NXB KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT NĂM 2005 PHẠM VĂN NGHỆ – ĐỖ VĂN PHÚC Máy Búa Máy Ép Thủy Lực NXB GIÁO DỤC NĂM 2003 NGUYỄN LƯƠNG DŨNG Tính chất học vật liệu NXB ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH NĂM 1993 NGUYỄN LƯƠNG DŨNG Phương pháp phần tử hữu hạn học NXB ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2003 BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Giáo trình Công Nghệ Kim Loại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA XUẤT BẢN NĂM 1969 NGUYỄN HOÀI SƠN – ĐỖ THANH VIỆT – BÙI XUÂN LÂM Ứng dụng Matlab tính toán kỹ thuật – Tập NXB ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2002 NGUYỄN HOÀI SƠN – VŨ NHƯ PHAN THIỆN – ĐỖ THANH VIỆT Phương pháp phần tử hữu hạn với Matlab – Tập NXB ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2002 85 MAI DUY NAM Mô trình gia công kim loại phương pháp phần tử hữu hạn LUẬN VĂN CAO HỌC NAÊM 1995 C.C CHEN, S.KOBAYASHI Rigid Plastic Finite Element Anallysis of Ring Compression ASME NEWYORK 1978 10 KURT LANGE Handbook of metal forming UNIVERSITY OF STUTTGART 2001 11 MICHAEL J.PINCHES, JOHN G.ASHBY Power Hydraulics 12 BETZALEL AVITZUR Metal Forming LEHEIGH UNIVERSITY 2006 13 STEFANO ANDREOLI Designing extrusion dies 2006 14 UDDEHOLM Die Steels and Components for Extrusion 2006 15 www.ukcopperboard.co.uk www.cerroflow.com www.efunda.com www.huahong-copper.com www.chenghua.com.tw www.brass.org www.kind-co.de ... 00403105 “NGHIÊN CỨU ÉP ỐNG ĐỒNG ỨNG DỤNG TRONG CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN NHIỆT” II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG : - Nghiên cứu lý thuyết ép ống đồng đưa quy trình sản xuất ống đồng - Tính toán trình ép ống đồng. .. đồng hệ thống truyền nhiệt 1.3 Đặt vấn đề nghiên cứu kỹ thuật ép ống đồng 1.4 Các nghiên cứu kỹ thuật ép ống có 1.4.1 Phương pháp ép ống 1.4.1.1 Ép ống thuận 1.4.1.2 Ép ống nghịch 1.4.1.3 Ép va... sạch, hệ thống bôi trơn, hệ thống gas không cháy dùng y học, hệ thống lượng mặt trời … 1.3 Đặt vấn đề nghiên cứu kỹ thuật ép ống đồng Từ nhu cầu sử dụng ống đồng ngày nhiều công trình, hệ thống