Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong sản xuất công nghiệp và đời sống, các sản phẩm ống kim loại và thép hình giữ vai trò thiết yếu, phục vụ từ các hệ thống dẫn nước, bồn chứa khí hóa lỏng, đường ống thủy lợi cho đến các kết cấu giàn không gian, nhà xưởng và công trình dân dụng. Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng thép ống định hình uốn cong rất lớn, tuy nhiên phần lớn thiết bị gia công tự động hóa cao như máy uốn thủy lực, máy uốn CNC đều phải nhập khẩu với chi phí đầu tư lớn, trong khi các cơ sở gia công vừa và nhỏ chủ yếu sử dụng thiết bị thủ công với độ chính xác và năng suất hạn chế.

Tại xưởng thực hành của Bộ môn Kỹ thuật Công nghiệp, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, thiết bị gia công hiện có là máy cuốn 3 trục vận hành bằng tay quay thủ công. Cơ cấu này đòi hỏi nhiều sức lao động của công nhân, năng suất gia công thấp và chỉ thực hiện được thao tác cán tôn tấm đơn giản. Nhằm giải quyết các nhược điểm trên, đề tài đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu cải tiến máy cuốn 3 trục" được thực hiện với các nhiệm vụ cụ thể:

  1. Nhiệm vụ theo đề cương đồ án:
    • Tìm hiểu các dòng máy cuốn và uốn ống hiện có trên thị trường.
    • Xây dựng và lựa chọn phương án thiết kế kết hợp phương án cải tiến.
    • Tính toán thiết kế động học và động lực học máy cuốn.
    • Chế tạo, lắp ráp và hoàn thiện máy cuốn tôn tấm tích hợp uốn thép ống.
  2. Hai nhiệm vụ kỹ thuật cốt lõi tác giả giải quyết:
    • Nhiệm vụ thứ nhất: Lắp đặt động cơ giảm tốc và hệ thống truyền động vào khung máy uốn quay tay sẵn có của bộ môn, nhằm cơ giới hóa quá trình cán và tích hợp thêm khả năng uốn ống.
    • Nhiệm vụ thứ hai: Tận dụng kết cấu 3 trục cuốn có sẵn để thiết kế, chế tạo máy cuốn tích hợp có khả năng uốn thép tấm thành ống trụ tròn và uốn thép ống thành cung tròn hoặc vòng tròn khép kín.
  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu cơ khí, cơ cấu truyền động và các thông số động lực học của máy cuốn 3 trục; quá trình biến dạng dẻo của thép tấm và thép ống trong nguyên công uốn.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Nghiên cứu thực hiện tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy - Bộ môn Kỹ thuật Công nghiệp (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) kết hợp khảo sát thực tế tại Công ty Cơ Điện Vĩnh Lộc.
    • Thời gian: Đồ án thực hiện trong thời gian 15 tuần, hoàn thành và bảo vệ vào tháng 07 năm 2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng hệ thống tính toán dựa trên lý thuyết biến dạng dẻo kim loại và cơ sở thiết kế máy công cụ gia công áp lực:

  • Khung lý thuyết và mô hình tính toán:
    • Bản chất biến dạng dẻo: Cơ chế trượt và song tinh trong đơn tinh thể; biến dạng dẻo trượt và quay tương đối giữa các hạt trong đa tinh thể.
    • Các yếu tố ảnh hưởng đến độ dẻo: Thành phần pha, nhiệt độ kết tinh lại ($0,4 T_{nc}$), nhiệt độ phục hồi ($0,25 \div 0,3 T_{nc}$), ứng suất dư, trạng thái ứng suất chính (đường, mặt, khối) và vận tốc biến dạng.
    • Năm định luật gia công kim loại bằng áp lực: Định luật biến dạng đàn hồi tồn tại song song khi biến dạng dẻo; Định luật ứng suất dư; Định luật thể tích không đổi; Định luật trở lực bé nhất; Định luật đồng dạng.
    • Cơ học quá trình uốn: Sự phân bố ứng suất kéo ở thớ ngoài và ứng suất nén ở thớ trong; vị trí lớp trung hòa ($\rho$); hiện tượng biến mỏng chiều dày và méo tiết diện (độ oval); tính toán bán kính uốn nhỏ nhất $r_{min} = K \cdot S$ để tránh đứt nứt và bán kính uốn lớn nhất để đảm bảo phát sinh biến dạng dẻo; hiện tượng đàn hồi sau uốn với góc đàn hồi thực nghiệm $\beta \approx 10^\circ$.
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp phân tích - so sánh kỹ thuật: Khảo sát các dòng máy uốn thủ công, bán tự động và thủy lực trên thị trường để lập ma trận đánh giá ưu nhược điểm của các phương án bố trí trục cuốn và phương án truyền động.
    • Phương pháp giải tích động lực học: Ứng dụng lý thuyết sức bền vật liệu và nguyên lý chi tiết máy để xác định lực uốn, mômen xoắn uốn, tính chọn công suất động cơ, phân phối tỷ số truyền, tính toán độ bền mỏi - tĩnh của trục, ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn của bộ truyền bánh răng, tải trọng xích, kiểm nghiệm mối ghép then và tuổi thọ ổ lăn.
    • Phương pháp mô phỏng hình học: Ứng dụng phần mềm chuyên dụng Plates Sheet Profesional V4 để mô phỏng 3D và khai triển phôi tấm kim loại trước khi gia công.
    • Phương pháp thực nghiệm cơ khí: Gia công, chế tạo các chi tiết bổ sung, lắp ghép cụm động cơ giảm tốc vào máy cuốn có sẵn và tiến hành chạy thử nghiệm cán sản phẩm.
  • Nguồn dữ liệu: Thông số kết cấu của máy uốn tay tại Bộ môn Kỹ thuật Công nghiệp; dữ liệu thực tế khảo sát tại Công ty Cơ Điện Vĩnh Lộc; các tiêu chuẩn cơ tính của vật liệu thép kết cấu C45; các công thức tính toán từ tài liệu chuyên ngành máy gia công áp lực và sổ tay thiết kế chi tiết máy.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Đồ án tập trung cải tiến hệ thống cơ khí từ máy quay tay thành máy dẫn động cơ điện tích hợp uốn tấm và uốn ống thông qua hai nội dung thiết kế chính:

Lựa chọn phương án bố trí trục cuốn

Tác giả so sánh ba phương án bố trí 3 trục cuốn để xác định sơ đồ kết cấu tối ưu cho xưởng sản xuất:

Phương án bố trí Nguyên lý vận hành Ưu điểm Nhược điểm Đánh giá lựa chọn
Phương án 1: Hai trục ép đặt phía dưới Trục trên cố định truyền mômen quay; hai trục cuốn phía dưới di chuyển lên xuống để tạo lực uốn phôi. Uốn được vật liệu có độ dày lớn, năng suất làm việc cao. Không uốn được chi tiết đường kính nhỏ; cơ cấu nâng phức tạp, giá thành chế tạo cao. Không chọn
Phương án 2: Trục ép đặt phía sau hai trục uốn Hai trục cuốn trước cố định tạo ma sát kéo phôi; trục ép phía sau di chuyển xiên để tạo độ cong. Uốn được nhiều kích cỡ sản phẩm khác nhau, uốn được vật liệu dày. Năng suất gia công không cao, độ linh hoạt thấp, kết cấu cơ khí khá phức tạp. Không chọn
Phương án 3: Trục ép bố trí ở giữa hai trục cuốn Hai trục cuốn dưới cố định quay cùng chiều; trục ép trên di chuyển lên xuống theo phương thẳng đứng/xiên. Kết cấu đơn giản, dễ gia công chế tạo, chi phí thấp, dễ bảo dưỡng, phù hợp quy mô xưởng vừa và nhỏ. Độ linh hoạt của máy ở mức độ tương đối. Được chọn

Lựa chọn hệ thống truyền động động lực

Bốn phương án truyền động được phân tích để tìm giải pháp cơ cấu gọn nhẹ và tiết kiệm năng lượng:

Phương án truyền động Cấu tạo bộ truyền Ưu điểm Nhược điểm Đánh giá lựa chọn
Phương án 1 Động cơ điện + Bộ truyền đai + Bánh răng Truyền động xa, vận hành êm, an toàn khi quá tải. Kích thước bánh đai lớn, có hiện tượng trượt, tải trọng tác dụng lên trục lớn, tiêu hao điện. Không chọn
Phương án 2 Động cơ điện + Bộ truyền xích + Bánh răng Không có hiện tượng trượt, kích thước gọn hơn đai, lực lên trục nhỏ. Làm việc có tiếng ồn, vận tốc tức thời không ổn định, xích nhanh mòn, tiêu hao điện. Không chọn
Phương án 3 Động cơ điện + Hộp giảm tốc + Bánh răng Khả năng chịu tải lớn, tỷ số truyền ổn định, hiệu suất cao, tuổi thọ cao. Gia công chế tạo phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao, chi phí lớn, tiêu tốn năng lượng. Không chọn
Phương án 4 Động cơ giảm tốc + Bộ truyền xích + Bánh răng Kết cấu gọn, truyền động xa, vận hành không trượt, tiết kiệm điện năng, giảm tiếng ồn. Tính cơ động hạn chế, xích cần bôi trơn tránh mòn trong môi trường bụi. Được chọn

Thông số kỹ thuật và động lực học hệ thống

  • Động cơ dẫn động chính: Động cơ liền hộp giảm tốc, công suất định mức $N = 1,5$ kW, tích hợp bộ đảo chiều quay thông qua tủ điều khiển nút bấm/bàn đạp.
  • Cơ cấu phân phối chuyển động: Mômen từ động cơ giảm tốc truyền qua bộ truyền xích đến trục dẫn, sau đó thông qua cụm bánh răng trụ răng thẳng ăn khớp để dẫn động đồng thời hai trục cuốn dưới quay cùng chiều.
  • Cơ cấu tạo bán kính uốn: Trục ép phía trên được điều chỉnh độ cao lên xuống thông qua cơ cấu vít me - đai ốc, tạo lực nén dẻo lên phôi kim loại.
  • Đối tượng kiểm nghiệm động lực học: Phôi tấm thép C45 chiều dài $L = 1256$ mm (và tính toán kiểm tra lại với kích thước chiều dài $1200$ mm).
  • Ứng dụng phần mềm công nghệ: Sử dụng Plates Sheet Profesional V4 để mô phỏng hình học và khai triển phôi tấm kim loại phẳng trước khi tiến hành cán uốn cho các sản phẩm cơ khí điển hình (ống trụ có nhánh, ống nón cụt).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu và sử dụng máy uốn tole và máy uốn ống

Chương 1 hệ thống hóa vai trò của các sản phẩm ống dẫn, thép hình trong nông nghiệp, công nghiệp hóa chất, dầu khí và xây dựng kết cấu thép. Văn bản đưa ra các số liệu thực tiễn về nhu cầu: ngành sản xuất ô tô (hãng Toyota với nhu cầu hơn 10.000 chi tiết uốn cho riêng một chủng loại ống làm mát), các dây chuyền chế tạo máy công nghiệp cần tối thiểu 20 chủng loại ống với khoảng 4.000 chi tiết uốn khác nhau, và ngành xây dựng nội ngoại thất sử dụng trên 100.000 chủng loại thép định hình uốn đa dạng. Tác giả tổng kết lịch sử phát triển máy cuốn cán thép từ máy 2 trục thô sơ kéo bằng ngựa, máy 3 trục chạy bằng hơi nước (năm 1864) đến các dòng máy uốn thủy lực tự động điều khiển servo hiện đại. Về tình hình trong nước, tác giả nêu rõ năng lực sản xuất thép cán đạt khoảng 2,4 triệu tấn vào năm 2000, các nhà máy đã chế tạo được các loại máy cán hình 250, 350, 450, 650; tuy nhiên thiết bị gia công uốn ống chuyên dụng phần lớn vẫn phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu.

Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế và cải tiến

Chương này xác định các yêu cầu kỹ thuật đối với máy thiết kế mới và máy cải tiến: chỉ tiêu hiệu quả sử dụng, khả năng làm việc ổn định, độ tin cậy cơ học, tính an toàn lao động, tính công nghệ và tính kinh tế (kết cấu nhỏ gọn, giá thành thấp, dễ chế tạo và sửa chữa). Tác giả so sánh ba phương án bố trí trục cuốn và bốn phương án truyền động cơ khí. Kết luận chương lựa chọn giải pháp kết hợp giữa phương án bố trí trục ép ở giữa hai trục cuốn và phương án truyền động sử dụng động cơ giảm tốc kết hợp bộ truyền xích và hệ thống bánh răng trụ răng thẳng. Trục ép di động sử dụng vít me để ép phôi tạo bán kính cong.

Chương 3: Lý thuyết về quá trình uốn

Chương 3 trình bày cơ sở lý thuyết biến dạng dẻo kim loại: khái niệm uốn dẻo, quá trình trượt và song tinh, sự dịch chuyển của lớp trung hòa về phía bán kính nhỏ khi uốn dải hẹp, sự thay đổi chiều dày (thành ngoài chịu kéo mỏng đi, thành trong chịu nén dày lên), khuyết tật hình thành nếp nhăn và biến dạng oval tiết diện tròn của ống. Tác giả thiết lập hệ phương trình dẻo ứng với các trạng thái ứng suất đường, mặt, khối; phân tích biểu đồ quan hệ lực - biến dạng ($\sigma - \varepsilon$); trình bày năm định luật cơ bản trong gia công áp lực. Cuối chương là các công thức giải tích xác định vị trí lớp trung hòa, tính toán chiều dài phôi uốn, bán kính uốn nhỏ nhất $r_{min}$, bán kính uốn lớn nhất $r_{max}$, lực uốn dẻo và góc đàn hồi sau uốn $\beta$.

Chương 4: Thiết kế động lực học

Nội dung chương được cấu trúc thành hai phần tính toán song song:

  • Phần A: Tính toán động lực học theo phương án thiết kế mới (uốn tôn tấm thành ống trụ tròn và uốn ống thép thành vòng cung). Tác giả chọn phôi tính toán điển hình bằng thép C45, phân tích các lực tác dụng lên phôi khi uốn, tính chọn công suất động cơ chính $N = 1,5$ kW, phân phối lại tỷ số truyền, xác định chiều dày phôi uốn lớn nhất ứng với chiều dài 1200 mm. Tiếp đó, tác giả tính toán thiết kế bộ truyền xích (chọn số răng đĩa xích, thông số bước xích), bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng (chọn vật liệu, xác định ứng suất uốn và tiếp xúc cho phép, tính kích thước hình học), tính toán trục II (chọn vật liệu, khoảng cách gối đỡ, biểu đồ mômen, kiểm nghiệm độ bền mỏi và tĩnh), tính toán then và tuổi thọ ổ lăn, xác định đường kính ống gia công cho phép.
  • Phần B: Tính toán động lực học theo phương án cải tiến trên khung máy có sẵn. Trình tự tính toán tương tự gồm xác định lực uốn, mômen uốn, công suất động cơ, kiểm tra sơ bộ đường kính trục cuốn có sẵn, tính toán bộ truyền xích, tính cặp bánh răng trụ giữa trục dẫn và trục cuốn, cặp bánh răng giữa hai trục cuốn 1 và 2, kiểm nghiệm bền trục, mối ghép then và ổ lăn chịu tải.

Chương 5: Quy trình vận hành máy để cán uốn một sản phẩm điển hình

Chương này hướng dẫn quy trình công nghệ 5 bước để uốn hoàn chỉnh một chi tiết từ phôi tấm phẳng. Tác giả sử dụng phần mềm Plates Sheet Profesional V4 để dựng hình 3D, mô phỏng quá trình uốn và khai triển phôi cho hai sản phẩm điển hình: chi tiết ống trụ tròn có nhánh nối và chi tiết hình nón cụt.

Chương 6: Quy định vận hành, bôi trơn và bảo dưỡng máy

Chương 6 đưa ra các quy tắc an toàn khi vận hành máy cuốn (kiểm tra trước khi khởi động, cấp phôi đúng tư thế, sử dụng bộ đảo chiều quay, dừng máy khi có hiện tượng bất thường); quy định chế độ bôi trơn định kỳ cho các gối đỡ ổ lăn, cơ cấu vít me nâng hạ trục và bộ truyền xích; đồng thời tổng hợp các phương pháp khắc phục sự cố kẹt phôi, trượt phôi hoặc rung lắc máy trong quá trình vận hành.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật đạt được:
    • Hoàn thành thiết kế và cải tiến thành công máy cuốn 3 trục từ máy quay tay thủ công thành máy dẫn động cơ khí bán tự động với công suất động cơ $N = 1,5$ kW.
    • Tích hợp thành công 2 chức năng gia công trên cùng một máy: uốn thép tấm phẳng thành ống trụ tròn và uốn thép ống thành cung tròn hoặc vòng tròn khép kín.
    • Tính toán và kiểm nghiệm đầy đủ độ bền cho các cụm chi tiết máy quan trọng: bộ truyền xích, hai cụm bánh răng trụ răng thẳng, trục truyền động, mối ghép then và hệ thống ổ bi đỡ.
    • Xây dựng quy trình 5 bước cán uốn chi tiết mẫu kết hợp ứng dụng phần mềm Plates Sheet Profesional V4 để khai triển chính xác phôi gia công nón cụt và ống trụ có nhánh.
  • Đóng góp thực tiễn so với hiện trạng:
    • Giải quyết bài toán giảm thiểu sức lao động cho sinh viên và công nhân đứng máy tại xưởng thực hành của Bộ môn Kỹ thuật Công nghiệp.
    • Tận dụng tối đa cụm 3 trục cuốn và khung máy có sẵn, giúp tiết kiệm chi phí đầu tư so với việc mua sắm máy chuyên dụng mới hoặc thiết bị nhập khẩu.
  • Kiến nghị của tác giả:
    • Thực hiện nghiêm ngặt quy trình bôi trơn định kỳ các ổ bi và bộ truyền xích để hạn chế mài mòn cơ học.
    • Không uốn các phôi thép vượt quá chiều dày và kích thước giới hạn đã được tính toán kiểm nghiệm trong đồ án để bảo vệ an toàn cho hệ thống truyền động.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Cơ cấu nâng hạ trục ép phía trên để tạo độ cong vẫn sử dụng vít me quay tay cơ học, chưa được cơ giới hóa bằng động cơ điện hay xi lanh thủy lực.
    • Tốc độ tức thời của bộ truyền xích có dao động, gây tiếng ồn nhất định trong quá trình vận hành và yêu cầu che chắn bảo dưỡng tránh bụi bẩn.
    • Độ linh hoạt và dải đường kính uốn bị giới hạn bởi kích thước hình học của cụm 3 trục cuốn có sẵn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Cải tiến cơ cấu ép trục trên bằng hệ thống thủy lực hoặc cụm động cơ điện điều khiển độc lập để tự động hóa hoàn toàn quá trình cấp lực uốn.
    • Nghiên cứu lắp đặt hệ thống cảm biến hành trình và bộ điều khiển lập trình (PLC hoặc NC/CNC) nhằm kiểm soát chính xác bán kính cong tự động.
    • Thiết kế thêm các bộ khuôn lăn chuyên dụng tháo lắp nhanh để uốn được nhiều biên dạng thép hình phức tạp như thép V, thép U, thép hộp vuông.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo thực tế cho sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy và Kỹ thuật Công nghiệp trong các học phần Thiết kế máy, Chi tiết máy và Công nghệ gia công kim loại bằng áp lực:

  • Giá trị phương pháp tính toán: Chương 4 cung cấp toàn bộ các bước tính toán động lực học chi tiết máy, từ xác định lực uốn, mômen uốn dẻo thực tế đến quy trình chọn động cơ, tính toán bền mỏi trục, bánh răng và ổ lăn.
  • Giá trị công nghệ ứng dụng: Chương 3 và Chương 5 là tài liệu hữu ích cho việc tính toán bù góc đàn hồi sau uốn ($\beta$) và ứng dụng phần mềm Plates Sheet Profesional V4 trong việc khai triển phôi tôn tấm phức tạp trong sản xuất cơ khí gò hàn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy cuốn 3 trục cải tiến trong đề tài sử dụng động cơ có công suất bao nhiêu và giải pháp truyền động chính là gì? Máy sử dụng động cơ liền hộp giảm tốc có công suất định mức $N = 1,5$ kW. Chuyển động quay từ động cơ giảm tốc được truyền qua bộ truyền xích đến trục dẫn, sau đó thông qua cụm bánh răng trụ răng thẳng để dẫn động hai trục cuốn phía dưới quay cùng chiều.

  2. Nhóm tác giả lựa chọn phương án bố trí 3 trục cuốn nào và vì lý do gì? Tác giả lựa chọn Phương án 3: Bố trí trục ép ở giữa hai trục cuốn cố định (hai trục dưới cố định quay cùng chiều, trục trên di động lên xuống). Phương án này được chọn vì kết cấu đơn giản, chi phí chế tạo thấp, dễ gia công, dễ sửa chữa và phù hợp với quy mô sản xuất nhỏ.

  3. Hai nhiệm vụ kỹ thuật cốt lõi mà đề tài giải quyết là gì? Nhiệm vụ 1 là lắp đặt động cơ giảm tốc và hệ thống truyền động vào máy cuốn tôn quay tay sẵn có của bộ môn để cơ giới hóa và tích hợp thêm khả năng uốn ống. Nhiệm vụ 2 là sử dụng 3 trục cuốn có sẵn để thiết kế máy cuốn tích hợp vừa uốn thép tấm thành ống trụ, vừa uốn thép ống thành cung tròn hoặc vòng tròn.

  4. Phần mềm nào được tác giả ứng dụng để hỗ trợ quá trình khai triển và mô phỏng chi tiết uốn? Tác giả sử dụng phần mềm Plates Sheet Profesional V4 để mô phỏng hình học 3D và khai triển phôi tấm ban đầu cho các chi tiết điển hình như ống trụ tròn có nhánh nối và ống hình nón cụt.

  5. Góc đàn hồi của phôi kim loại sau khi uốn được tác giả xác định thông thường bằng bao nhiêu? Theo tính toán lý thuyết và thực nghiệm trình bày trong Chương 3, góc đàn hồi $\beta$ sau khi uốn của phôi kim loại thông thường vào khoảng $10^\circ$.

Kết luận

Đồ án "Nghiên cứu cải tiến máy cuốn 3 trục" của sinh viên Mai Chí Tâm và Lê Hữu Tiến (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) đã giải quyết thành công bài toán cơ giới hóa máy uốn thủ công hiện có tại xưởng thực hành. Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết cơ học biến dạng dẻo, phương pháp tính toán động lực học chi tiết máy công cụ và ứng dụng phần mềm khai triển phôi tấm Plates Sheet Profesional V4. Kết quả chế tạo máy tích hợp uốn tấm và uốn ống sử dụng động cơ giảm tốc 1,5 kW mang lại giải pháp kỹ thuật phù hợp, nâng cao năng suất gia công và có giá trị tham khảo thiết thực cho công tác đào tạo, chế tạo máy cơ khí vừa và nhỏ.