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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN NGỌC TÚ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ DẬP LĂN ÉP ĐIỀU KHIỂN SỐ ĐỂ TẠO HÌNH PROFIN BẬC VÀ BẬC CỦA VỎ TẦU THỦY SỬ DỤNG CHO CÁC MÁY THỦY LỰC Chuyên ngành: Chế tạo máy LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHẾ TẠO MÁY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN ĐẮC TRUNG HÀ NỘI - 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi Nguyễn Ngọc Tú, học viên lớp Cao học Công nghệ chế tạo máy – Viện Đào tạo sau đại học – khóa 2010 – Trường Đại học Bách Khóa Hà Nội Sau hai năm học tập nghiên cứu, giúp đỡ thầy cô giáo đặc biệt giúp đỡ PGS.TS Nguyễn Đắc Trung, đến tơi hồn thiện luận văn tốt nghiệp với đề tài “nghiên cứu thiết kế công nghệ thiết bị dập lăn ép điều khiển số để tạo hình profin bậc bậc vỏ tầu thủy sử dụng cho máy thủy lực” Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Đắc Trung tham khảo tài liệu liệt kê Các số liệu luận văn số liệu thực tế, không bịa đặt Nếu có sai phạm tơi xin chịu trách nhiệm trước hội đồng tốt nghiệp nhà trường Ngày tháng 03 năm 2013 Học viên Nguyễn Ngọc Tú i LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, học tập Viện Đào tạo sau đại học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tác giả luận văn xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Đắc Trung – người đưa ý tưởng, định hướng phương pháp nghiên cứu đề tài bảo tận tình trực tiếp hướng dẫn thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Quý thầy cô Viện Đào tạo sau đại học tạo nhiều điều kiện để tơi hồn thành tốt khóa học Ngày tháng 03 năm 2013 Học viên Nguyễn Ngọc Tú ii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Vii DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Viii LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN PHẨM THIẾT BỊ 1.1 Giới thiệu số ngành công nghiệp nặng công nghiệp phụ trợ 1.2 Vai trò chi tiết dạng cong 3D cỡ lớn cơng nghiệp đóng tầu 1.3 Các phương pháp tạo hình cong 3D có kích thước lớn 1.3.1 Uốn khuôn 1.3.2 Tạo hình dựa biến dạng nhiệt 10 1.3.3 Uốn lốc máy trục,4 trục 12 1.3.4 Lăn miết máy chuyên dụng 13 1.3.5 Lăn ép 14 CHƯƠNG II: TÍNH TỐN CƠNG NGHỆ LĂN ÉP 19 2.1 Công nghệ lăn ép 19 2.2 Các thông số công nghệ trình uốn kim loại 22 2.2.1 Khái niệm uốn, đặc điểm công nghệ lý luận uốn 22 2.2.2 Lớp trung hòa biến dạng cách xác định 26 2.2.3 Bán kính uốn cho phép 29 2.2.4 Xác định lực uốn 32 2.3 Các thông số công nghệ trình cán kim loại 35 iii 2.3.1 Vïng biÕn d¹ng 35 2.3.2 Các thông số đặc trng cho vùng biến dạng 36 2.3.3 Quan hệ thông số vùng biến dạng 37 2.3.4 Điều kiện vật cán ăn vào trục cán 37 2.3.5 Lùc c¸n 40 2.4 Nghiên cứu phương pháp xác định thơng số cơng nghệ q trình lăn ép dựa tính tốn giải tích CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG SỐ ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ 41 45 3.1 Giới thiệu phương pháp mô số 45 3.1.1 Mô vật lý 45 3.1.2 Mô số “công nghệ ảo” 45 3.2 Vai trị ưu điểm mơ số thiết kế tối ưu công nghệ 46 3.3 Ứng dụng mơ số vào tốn phi tuyến 48 3.3.1 Q trình mơ 48 3.3.2 Hiện trạng việc áp dụng mô số thiết kế tối ưu cơng nghệ tạo hình 49 3.4 Giới thiệu phần mềm mô số DEFORM 50 3.4.1 Các sảm phẩm hệ thống DEFORM 52 3.5.Ứng dụng phần mềm mô số DEFORM để tính tốn 53 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ THIẾT BỊ 64 4.1 Tổng quan thiết bị lăn ép thủy lực 64 4.1.1 Vài nét sơ lược thiết bị gia công áp lực 65 4.1.2 Vai trò máy ép thủy lực 66 4.1.3 Phân loại máy ép thủy lực 67 iv 4.1.4 Nguyên lý hoạt động máy ép thủy lực 67 4.1.5 Máy ép thủy lực 200T kiểu trụ 69 4.2 Tính tốn thiết kế thiết bị lăn ép thủy lực 72 4.2.1 Thiết kế sơ đồ động thiết bị 72 4.2.2 Các cụm chi tiết thiết bị 75 4.2.2.1 Cụm lăn chủ động lăn bị động 76 4.2.2.1.1 Con lăn bị động( lăn trên) 76 4.2.2.1.2 Con lăn chủ động( lăn dưới) 82 4.2.2.2 Tính chọn động điện hộp giảm tốc 87 4.2.2.3 Tính tốn thiết kế truyền bánh 89 4.2.2.4 Tính tốn lựa chọn ổ bi đỡ chặn 94 4.2.2.5 Tính tốn thiết kế phần khung thân 96 4.2.2.5.1 Kết cấu khung thân phần lăn bị động 96 4.2.2.5.2 Kết cấu khung thân phần lăn chủ động 99 4.2.2.6 Điều khiển số thiết bị lăn ép 103 4.2.2.7 Một số hình ảnh thiết bị lăn ép chế tạo CHƯƠNG V: CƠNG NGHỆ LĂN ÉP TẠO HÌNH PROFIN 2D & 3D 106 5.1 Lăn ép tạo hình profin 2D 112 5.2 Lăn ép tạo hình profin 3D 116 KẾT LUẬN 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 PHỤ LỤC CÁC BẢN VẼ THIẾT KẾ 124 v 112 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Ý nghĩa Bảng 2.1 Độ giảm mỏng số vật liệu theo bán kính cong Trang 24 Bảng 2.2 Bảng hệ số giảm mỏng theo tỷ lệ bán kính độ dày 28 Bảng 2.3 Bảng bán kính uốn phụ thuộc vào  30 Bảng 2.4 Bảng hệ số kinh nghiệm (K) 30 Bảng 2.5 Bảng cơng thức tính lực uốn 33 Bảng 2.6 Bảng hệ số K1 sổ tay cán, kéo 34 Bảng 2.7 Bảng áp lực đơn vị q Kg/ mm2 34 Bảng 2.8 Bảng tính tốn bán kính cong phơi 43 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Ý nghĩa Hình Trang Hình 1.1 Hình ảnh xưởng đóng tầu Hình 1.2 Hình ảnh nhà máy đóng tầu vinashin Hải Phịng Hình 1.3 Hình ảnh biên dạng cong 3D cấu tạo vỏ tầu thủy Hình 1.4 Sơ đồ uốn phơi Hình 1.5 Một số hình ảnh uốn phơi máy ép thủy lực Hình 1.6 Kết cấu hàn cấu tạo thân vỏ tầu 10 Hình 1.7 Một số hình ảnh chế tạo cong phương pháp gia nhiệt 11 Hình 1.8 Một số hình ảnh uốn phơi thép máy uốn lốc trục 12 Hình 1.9 Một số hình ảnh máy miết & sản phẩm tạo hình 13 Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý lăn ép lăn Hình 1.11 14 Một số hình ảnh thiết bị lăn ép & sản phẩm tạo hình phương pháp lăn ép 15 Hình 2.1 Một số chi tiết vỏ tàu thủy có biên dạng cong 2D &3D 19 Hình 2.2 Sơ đồ trình lăn ép 20 Hình 2.3 Mơ tả trường hợp uốn 23 Hình 2.4 Mơ tả ví dụ độ giảm mỏng vật liệu chịu uốn 24 Hình 2.5 Một số dạng uốn chữ V 25 Hình 2.6 Bán kính cong lớp trung hịa biến dạng 26 Hình 2.7 Tiết diện ngang phơi bị thay đổi uốn phơi trịn 28 Hình 2.8 Sơ đồ cỏn kim loi 35 Hỡnh 2.9 Điều kiện ăn vào trơc c¸n 38 vii Hình 2.10 Sơ đồ dập lăn ép Hình 3.1 43 Những ưu điểm mơ 47 Hình 3.2 Q trình tối ưu hóa cơng nghệ nhờ mơ số 47 Hình 3.3 Q trình mơ số 49 Hình 3.4 Mơ hình hình học tốn dập lăn ép 53 Hình 3.5 Mơ hình lăn 54 Hình 3.6 Mơ hình lăn 54 Hình 3.7 Phơi thép có kích thước 450x250x10 55 Hình 3.8 Chia lưới phần tử cho phơi thép 55 Hình 3.9 Chia lưới phần tử cho lăn 56 Hình 3.10 Chia lưới phần tử cho lăn 56 Hình 3.11 Chia lưới lăn ,con lăn dưới, phơi 57 Hình 3.12 Các thơng số tính vật liệu 57 Hình 3.13 Ứng suất tương đương vật liệu 59 Hình 3.14 Đồ thị lực ép lăn 60 Hình 3.15 Phân bố biến dạng phôi So sánh kết tính tốn Lực ép-Lượng ép phương Hình 3.16: pháp giải tích mơ số 61 Hình 3.17 62 So sánh kết tính tốn Lực ép-Bán kính phương pháp giải tích mơ số 62 Hình 4.1 Một số hình ảnh thiết bị lăn ép nước ngồi 64 Hình 4.2 Một số hình ảnh lắp đặt thiết bị lăn ép máy ép thủy lực 65 Hình 4.3 Máy lăn ép thuỷ lực 400T 68 Hình 4.4 Hình ảnh bàn máy máy ép thủy lực 500T 68 viii Hình 4.5 Máy ép thủy lực Đài Loan 500T,1000T 69 Hình 4.6 Máy ép thuỷ lực 200 70 Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị 72 Hình 4.8 Sơ đồ động thiết bị dùng động điện 73 Hình 4.9 Sơ đồ động thiết bị dùng động thủy lực 74 Hình 4.10 Con lăn 76 Hình 4.11 Lực phân bố đường sinh lăn 77 Hình 4.12 Bảng thơng số vật liệu 80 Hình 4.13 Biểu đồ ứng suất von Mises 81 Hình 4.14 Biểu đồ biến dạng 81 Hình 4.15 Con lăn 82 Hình 4.16 Lực phân bố đường sinh lăn 83 Hình 4.17 Bảng thơng số vật liệu 85 Hình 4.18 Biểu đồ ứng suất von Mises 86 Hình 4.19 Biểu đồ biến dạng 86 Hình 4.20 Hình ảnh số loại động điện 88 Hình 4.21 Hình ảnh loại động gắn liền với hộp giảm tốc 89 Hình 4.22 Hình ảnh 3D bánh 94 Hình 4.23 Hình ảnh số loại ổ bi đũa 95 Hình 4.24 Kết cấu khung thân lăn bị động 96 Hình 4.25 Mơ hình 3D phần lăn bị động 97 Hình 4.26 Mơ hình 3D phần khung thân lăn bị động 97 Hình 4.27 Biểu đồ ứng suất von Mises 98 Hình 4.28 Biểu đồ biến dạng 99 ix 14 Nguyễn Đắc Trung, Lê Trung Kiên, Nguyễn Ngọc Tú,Trần Hải Đăng: Nghiên cứu phương pháp xác định thông số công nghệ dập lăn ép tạo hình chi tiết có kích thước lớn, Hội nghị khí toàn quốc, tháng 10/2011 Đại Học Bách Khoa, Hà Nội 15 Nguyễn Đắc Trung, Nguyễn Trung Kiên, Nghiên cứu công nghệ chế tạo chi tiết vành cỡ lớn phục vụ công nghiệp nặng, Hội nghị Khoa học công nghệ Cơ khí chế tạo tồn quốc lần thứ 2, Vinamanufacture 2009, 18 tháng 11 năm 2009 Viện Nghiên Cứu Cơ Khí, Hà Nội, Tr 230-235 16 Trường Đại Học Bách Khoa-Đại Học Đà Nẵng Giáo trình thiết bị cán 17 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Giáo trình sức bền vật liệu tập I II 18 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Vật liệu học 19 Stefan Puller, Simulation des Werkstoffflusses beim Ringwalzen mittels elementarer Plastizitätstheorie, luận án tiến sĩ, trường Đại Học tổng hợp Hannover, CHLB Đức, 2003 20 Davey, K., Ward, M.J., An efficient solution method for finite element ring- rolling simulation, International Journal For Numerical Methods In Engineer-ing, Vol 47, pp 1997-2018, 2000 21 Hellmann, M., Hülshorst, T., Kopp, R ,Simulation of Ring Rolling,, 14th International Forgemasters Meeting, S 454-460, 2000 22 N.N.: „Rolltech, Version 4.1c, Technologiesoftware für das Radial-Axial- Ringwalzen, Thyssen Maschinenbau GmbH Wagner Dortmund, 1997 23 Erich G Thomsen , Mechanics of Plastic Deformation in Metal Processing, 24 http://www.nieland.com - Nieland shipbuilding press - 123 - PHỤ LỤC: CÁC BẢN VẼ THIẾT KẾ - 124 - - 125 - - 126 - - 127 - - 128 - 19 20 23 22 21 15 14 17 16 18 19 20 23 22 21 Vít c o n lă n c hủ động Nắp ổ 01 01 02 01 02 11 01 02 C45 C45 C45 C45 CT3 CT3 C45 C45 CT3 18 13 12 Tấm đệm Bá nh ră ng b ịđộng 01 17 16 11 C45 01 01 15 14 10 C45 N¾p ỉ 13 12 09 08 01 01 C45 CT3 CT3 01 01 02 TÊm ®ì c on lă n ổ b i đũa Tấm đế trung g ia n Đ ộ ng c điện ổ b i ®ịa TÊm khung 01 11 03 03 VËt liệu 04 10 ổ b i đũa Bá nh ră ng trung g ia n 01 01 01 Hé p g iả m tốc Vít đế 09 08 07 06 Vít Tấm c hặn b nh ră ng Slg Trơc trung g ia n TÊm khung g i÷a 07 06 05 04 Tê n g ọi Bá nh ră ng c hủ động Tấm đệm động c Tấm ®Õ CT3 05 04 03 02 01 Ký hiÖu 03 02 01 STT M12 M10 - 129 - - 130 - - 131 - - 132 - - 133 - - 134 - - 135 - - 136 - - 137 - ... nghiệp với đề tài ? ?nghiên cứu thiết kế công nghệ thiết bị dập lăn ép điều khiển số để tạo hình profin bậc bậc vỏ tầu thủy sử dụng cho máy thủy lực? ?? Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu cá nhân tơi... ngồi 64 Hình 4 .2 Một số hình ảnh lắp đặt thiết bị lăn ép máy ép thủy lực 65 Hình 4 .3 Máy lăn ép thuỷ lực 400T 68 Hình 4.4 Hình ảnh bàn máy máy ép thủy lực 500T 68 viii Hình 4.5 Máy ép thủy lực Đài... 4 .2. 2.5 .2 Kết cấu khung thân phần lăn chủ động 99 4 .2. 2.6 Điều khiển số thiết bị lăn ép 1 03 4 .2. 2.7 Một số hình ảnh thiết bị lăn ép chế tạo CHƯƠNG V: CƠNG NGHỆ LĂN ÉP TẠO HÌNH