Chế tạo mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do

Đồ án chế tạo mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do - Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Lê Duy Khang
• Người hướng dẫn: ThS. Huỳnh Đỗ Song Toàn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy
• Đề tài: Chế tạo mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đầu uốn ống nhiều bậc tự do tại ĐH SPKT

Công nghệ tạo hình ống kim loại đóng vai trò cốt lõi trong công nghiệp chế tạo hiện đại. Các ngành như hàng không vũ trụ, ô tô và hóa chất luôn đòi hỏi những đường ống có hình học không gian phức tạp. Nghiên cứu chế tạo mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mở ra giải pháp uốn tự do tiên tiến. Công nghệ uốn tự do (free bending forming) khắc phục triệt để sự phụ thuộc vào các bộ khuôn uốn cứng truyền thống. Phương pháp này kết hợp giữa lực đẩy dọc trục và chuyển động lệch tâm đa hướng của đầu uốn. Cơ cấu tạo ra các bán kính uốn biến thiên liên tục trên cùng một đoạn ống. Phôi ống kim loại thành mỏng di chuyển qua lỗ dẫn hướng và chịu tác động uốn tức thời. Chuyển động đa bậc tự do của đầu uốn kiểm soát chính xác góc uốn và mặt phẳng uốn. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán cơ khí chính xác, thiết kế cụm định hướng và tối ưu hóa hệ thống dẫn động. Đề tài tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao khẳng định năng lực làm chủ công nghệ cơ khí.

1.1. Nguyên lý công nghệ uốn tự do nhiều bậc tự do

Công nghệ uốn tự do vận hành dựa trên sự phối hợp chuyển động đồng thời giữa trục đẩy phôi và đầu uốn lệch tâm. Phôi ống kim loại được đẩy liên tục qua khuôn dẫn hướng cố định nhờ cụm trục Z. Tại đầu ra, khuôn uốn di động xoay theo các góc nghiêng định trước trong không gian ba chiều. Sự sai lệch vị trí giữa tâm khuôn uốn và tâm ống sinh ra mô-men uốn dẻo cục bộ. Quá trình uốn diễn ra liên tục mà không tạo vết gấp cục bộ trên bề mặt ống. Bán kính uốn phụ thuộc hoàn toàn vào hành trình dịch chuyển của đầu uốn. Cơ cấu này loại bỏ hoàn toàn yêu cầu thay khuôn khi thay đổi bán kính cong của sản phẩm.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu đồ án tốt nghiệp tại HCMUTE

Đồ án tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM hướng tới làm chủ công nghệ uốn ống tiên tiến. Nhóm tác giả tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết tạo hình ống kim loại thành mỏng. Mục tiêu cụ thể là thiết kế hoàn chỉnh mô hình 3D cho cụm đầu uốn nhiều bậc tự do. Sinh viên trực tiếp lập quy trình công nghệ gia công các chi tiết cơ khí phi tiêu chuẩn. Các chi tiết then chốt như bánh răng, trục xoay và bệ đỡ được chế tạo tại xưởng thực hành. Quá trình lắp ráp và thử nghiệm thực tế đánh giá độ ổn định của hệ thống truyền động. Kết quả nghiên cứu tạo nền tảng vững chắc cho việc phát triển máy uốn CNC công nghiệp.

II. Hạn chế thực tế của đầu uốn ống nhiều bậc tự do truyền thống

Phương pháp uốn ống truyền thống thường sử dụng công nghệ uốn kéo quay hoặc uốn ba trục cố định. Các công nghệ này bộc lộ nhiều điểm hạn chế khi chế tạo chi tiết có dạng xoắn không gian. Mỗi bán kính cong uốn yêu cầu một bộ khuôn rãnh chuyên biệt đi kèm. Chi phí chế tạo và bảo dưỡng khuôn uốn rất tốn kém đối với sản xuất đơn chiếc. Thời gian căn chỉnh khuôn kéo dài làm giảm năng suất toàn hệ thống gia công. Hiện tượng đàn hồi ngược (springback) của kim loại sau khi uốn gây sai lệch kích thước lớn. Ống thành mỏng thường bị móp méo tiết diện hoặc nhăn bề mặt ở mặt trong vùng uốn. Chiều dày thành ngoài ống bị mỏng hóa quá mức, dễ dẫn tới nứt vỡ vật liệu. Hơn nữa, việc tích hợp nhiều bậc tự do vào cơ cấu uốn đòi hỏi giải thuật động học cực kỳ phức tạp. Các hiện tượng khe hở cơ khí và độ rơ khớp nối dễ gây mất ổn định quỹ đạo uốn. Do đó, việc nghiên cứu chuyên sâu về kết cấu đầu uốn nhiều bậc tự do trở thành yêu cầu cấp thiết.

2.1. Khuyết tật hình học trong quá trình uốn ống mỏng

Ống kim loại thành mỏng chịu trường ứng suất phức tạp trong quá trình biến dạng dẻo. Vùng mép ngoài của góc uốn chịu ứng suất kéo lớn, dẫn đến hiện tượng mỏng thành ống. Nếu lực uốn vượt quá giới hạn bền, phôi ống có nguy cơ bị rách nứt nghiêm trọng. Ngược lại, thành trong của ống phải chịu ứng suất nén cao. Ứng suất nén này thường sinh ra hiện tượng nhăn nheo và mất ổn định hình dạng. Tiết diện tròn của ống dễ biến dạng thành hình elip do áp lực tiếp tuyến. Độ oval hóa vượt mức cho phép sẽ làm giảm khả năng chịu áp lực chất lưu của đường ống. Kiểm soát khuyết tật hình học đòi hỏi cơ cấu uốn phải phản hồi vị trí linh hoạt.

2.2. Khó khăn khi chế tạo cơ cấu truyền động nhiều trục

Chế tạo đầu uốn nhiều bậc tự do đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật cơ khí. Không gian làm việc của đầu uốn bị thu hẹp đáng kể nhằm đảm bảo độ cứng vững. Bố trí các cụm bánh răng, khớp cầu và vòng bi đòi hỏi độ đồng tâm cực cao. Sai số chế tạo tích lũy qua từng khâu truyền động dễ làm lệch góc uốn thực tế. Ngoài ra, vật liệu chế tạo chi tiết uốn phải chịu tải trọng uốn và mài mòn liên tục. Việc chọn lựa thép hợp kim thích hợp và xử lý nhiệt bề mặt là bắt buộc. Khâu gia công cơ khí yêu cầu các máy công cụ chính xác như máy tiện CNC và máy phay chuyên dụng. Sai số lắp ráp nhỏ cũng có thể gây kẹt cơ cấu khi vận hành ở tốc độ cao.

III. Thiết kế và chế tạo đầu uốn ống nhiều bậc tự do tại HCMUTE

Nhóm nghiên cứu tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM triển khai giải pháp thiết kế module uốn linh hoạt. Toàn bộ kết cấu 3D của cụm định hướng uốn được mô hình hóa và mô phỏng động lực học trên phần mềm cơ khí chuyên ngành. Cụm đầu uốn tích hợp cơ cấu bánh răng và trục lệch tâm để điều khiển hướng tạo hình. Giải pháp uốn bằng cách thay đổi cơ cấu kẹp và đẩy phôi theo trục tâm Z kết hợp chuyển động uốn đa trục. Quy trình công nghệ chế tạo tập trung gia công các chi tiết phi tiêu chuẩn với độ chuẩn xác cao. Điển hình là quá trình tiện bánh răng nhỏ từ phôi thép tròn Ø75 mm trên máy tiện vạn năng Mascut. Chế độ cắt được tính toán nghiêm ngặt về chiều sâu cắt, tốc độ vòng quay và lượng chạy dao. Các bước tiện thô, tiện tinh, vạt mặt đầu và khoan tâm đảm bảo độ chính xác hình học nghiêm ngặt. Sau khi hoàn thiện gia công, các bộ phận được làm sạch, kiểm tra dung sai và lắp ráp đồng bộ. Hệ thống được tích hợp bộ điều khiển CNC để lập trình quỹ đạo uốn ống ba chiều tự động.

3.1. Thiết kế 3D cụm định hướng và uốn ống không gian

Thiết kế 3D đóng vai trò quyết định trong việc hiện thực hóa mô hình đầu uốn nhiều bậc tự do. Mô hình lắp ráp bao gồm cụm đế gá, cơ cấu xoay bánh răng và đầu dẫn hướng ống. Kết cấu khớp xoay cho phép đầu uốn chuyển hướng linh hoạt theo góc lệch không gian mong muốn. Nhóm nghiên cứu tiến hành kiểm tra xung đột động học giữa các chi tiết chuyển động trên mô hình ảo. Việc phân tích phần tử hữu hạn giúp tối ưu hóa ứng suất và độ võng của các chi tiết chịu lực chính. Nhờ đó, kích thước tổng thể của cụm đầu uốn được tinh giản nhưng vẫn đảm bảo độ bền uốn tối đa. Bản vẽ kỹ thuật chi tiết được xuất trực tiếp từ mô hình 3D phục vụ quá trình gia công xưởng.

3.2. Quy trình gia công cơ khí các chi tiết truyền động

Quy trình công nghệ gia công chi tiết phi tiêu chuẩn được thực hiện nghiêm ngặt tại xưởng thực hành ĐH SPKT. Chi tiết bánh răng nhỏ được gia công từ phôi tròn đường kính Ø75 mm trên máy tiện Mascut. Nguyên công đầu tiên tiến hành kẹp mâm cặp, vạt mặt đầu 3 mm và khoan lỗ chống tâm. Chế độ tiện thô chọn chiều sâu cắt 2 mm với tốc độ vòng quay 310 m/phút. Bước tiện tinh hạ kích thước 1 mm bằng dao tiện chip T16R04 chuyên dụng. Nguyên công tiếp theo thực hiện tiện bậc đường kính Ø69,7 mm và vát mép đúng bản vẽ. Dung sai lắp ghép và độ nhám bề mặt được kiểm soát chặt chẽ bằng panme đo ngoài. Toàn bộ bánh răng sau đó được xử lý nhiệt để tăng khả năng chịu mỏi.

IV. Khả năng ứng dụng của đầu uốn ống nhiều bậc tự do thực tế

Đề tài chế tạo mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do đem lại giá trị thực tiễn to lớn cho ngành cơ khí chế tạo. Kết quả thử nghiệm khẳng định tính khả thi của nguyên lý uốn tự do không dùng khuôn định hình. Mô hình hoạt động ổn định, điều khiển trơn tru các chuyển động góc trong không gian 3D. Ống thành phẩm duy trì độ đồng đều tiết diện cao và hạn chế tối đa các nếp nhăn bề mặt. Công nghệ này đáp ứng nhu cầu gia công đường ống xả ô tô, khung xe máy và giàn trao đổi nhiệt. Trong ngành hàng không, thiết bị hỗ trợ tạo hình các hệ thống dẫn nhiên liệu phức tạp với độ chính xác cao. Việc làm chủ công nghệ thiết kế và chế tạo giúp các cơ sở sản xuất trong nước giảm chi phí nhập khẩu thiết bị đắt đỏ từ nước ngoài. Đồ án tạo tiền đề vững chắc cho việc phát triển các dòng máy uốn CNC thông minh thương mại hóa. Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tích hợp thuật toán bù đàn hồi ngược tự động dựa trên trí tuệ nhân tạo.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất phụ tùng ô tô

Ngành công nghiệp ô tô tiêu thụ khối lượng lớn ống kim loại uốn định hình không gian. Khung gầm xe hơi, thanh chống va đập và đường ống dẫn khí đòi hỏi độ chính xác hình học cao. Đầu uốn nhiều bậc tự do giúp uốn các đoạn ống liên tục với bán kính uốn thay đổi. Điều này loại bỏ các mối hàn nối trung gian, giảm đáng kể nguy cơ rò rỉ áp suất. Trọng lượng tổng thể của hệ thống ống xe cũng giảm đi nhờ tối ưu hóa đường đi ống trong khoang động cơ hẹp. Năng suất gia công hàng loạt tăng cao do máy không tốn thời gian dừng để thay đổi khuôn uốn. Sản phẩm ống tạo hình đạt độ bóng bề mặt tốt và đảm bảo độ bền kết cấu mỏi lâu dài.

4.2. Xu hướng phát triển công nghệ uốn ống tự do tại Việt Nam

Chế tạo thiết bị uốn ống tự do phản ánh xu hướng hiện đại hóa nền công nghiệp cơ khí Việt Nam. Việc tự chủ nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật thu hẹp khoảng cách công nghệ với thế giới. Xu hướng tương lai sẽ tập trung số hóa toàn diện quy trình uốn ống. Hệ thống cảm biến thông minh sẽ đo lường biến dạng phôi ống theo thời gian thực. Thuật toán điều khiển vòng kín tự động bù trừ sai số đàn hồi ngược của kim loại. Bên cạnh đó, các cơ cấu động học song song như Hexapod cũng mở ra tiềm năng tăng độ cứng vững và độ linh hoạt cho đầu uốn. Công nghệ uốn tự do nhiều bậc tự do sẽ trở thành giải pháp cốt lõi thúc đẩy chế tạo máy chính xác.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các ngành công nghiệp sản xuất ô tô, hàng không vũ trụ, thiết bị y tế, hóa chất, dầu khí và xây dựng hiện đại, nhu cầu sử dụng các chi tiết dạng ống kim loại uốn định hình có biên dạng không gian ba chiều phức tạp ngày càng gia tăng. Trong thực tế sản xuất tại Việt Nam, ống kim loại thương mại thường được cung cấp ở dạng đoạn thẳng tiêu chuẩn (dài 6 m hoặc 12 m). Để tạo ra các hệ thống đường ống phù hợp với không gian lắp đặt chật hẹp của khung gầm xe, động cơ hoặc nhà xưởng, giải pháp truyền thống phổ biến là cắt ngắn phôi ống rồi liên kết lại bằng phương pháp hàn. Tuy nhiên, các liên kết hàn thường bộc lộ nhiều nhược điểm nghiêm trọng: làm thay đổi tổ chức kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt, tạo ứng suất dư, giảm khả năng chịu áp lực và không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật khắt khe trong môi trường dẫn khí y tế, khí nén hay nhiên liệu áp lực cao.

Trước đòi hỏi đó, công nghệ uốn biến dạng dẻo phôi nguội liên tục (Free Bending Forming - FBF) không sử dụng khuôn tĩnh định hình đã được phát triển trên thế giới nhằm uốn cong ống theo các bán kính và góc độ biến thiên liên tục trong không gian mà không làm nứt gãy vật liệu. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu, làm chủ công nghệ và chế tạo thiết bị uốn ống nhiều bậc tự do theo nguyên lý cơ cấu song song vẫn còn là hướng đi mới mẻ, đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa thiết kế cơ khí chính xác và công nghệ gia công cắt gọt.

Đề tài đồ án tốt nghiệp "Chế tạo mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do" được thực hiện tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nhằm giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể sau:

1. Nghiên cứu tổng quan về công nghệ tạo hình uốn ống tiên tiến và các cơ cấu uốn nhiều bậc tự do trên thế giới.
2. Thiết kế mô hình không gian ba chiều (3D) cho cụm định hướng ống và cụm đầu uốn tạo hình nhiều bậc tự do.
3. Lập quy trình công nghệ gia công cắt gọt cơ khí và chế tạo các chi tiết phi tiêu chuẩn của hệ thống máy tại xưởng thực hành.
4. Lắp ráp, tích hợp hệ thống truyền động cơ khí, cảm biến đo dịch chuyển và thử nghiệm uốn thực tế trên phôi ống kim loại.
5. Đảm bảo cụm kẹp và thoi đẩy ống tạo ra lực đẩy định mức 1000 kg, đẩy phôi ống có đường kính ngoài 10 mm, chiều dày thành ống 0,3 mm với chiều dài tối đa 2 m vào vùng uốn mà không làm biến dạng hay mất ổn định thanh (hiện tượng chịu console) trước khi tạo hình.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là cơ cấu máy uốn ống biến dạng tự do nhiều bậc tự do, trọng tâm là cụm đầu uốn tạo hình dạng bệ di động song song và cụm định hướng phôi ống. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong lĩnh vực công nghệ chế tạo máy: thiết kế kết cấu, tính toán chế độ cắt, gia công chế tạo các chi tiết cơ khí trên máy công cụ vạn năng và thực nghiệm uốn trên vật liệu ống thép không gỉ Inox 304 tại Xưởng Bộ Môn Thực Hành Nghề của nhà trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý luận của công nghệ uốn ống nhiều bậc tự do trong đồ án dựa trên các phương trình cơ học biến dạng đàn hồi - dẻo của kết cấu thanh mỏng, lý thuyết cơ cấu song song và kỹ thuật gia công cơ khí chính xác:

• Nguyên lý cơ cấu song song Stewart (1965): Tác giả kế thừa nguyên lý bệ dịch chuyển Stewart (Hexapod) gồm 6 bậc truyền động độc lập liên kết giữa bệ tĩnh và bệ động bằng các khớp cầu. Thông qua việc thay đổi độ cao hoặc chiều dài tịnh tiến của từng chân máy, bệ động (mang cụm con lăn tạo hình) có thể thay đổi góc nghiêng và tọa độ vị trí linh hoạt trong không gian 3D, từ đó điều khiển hướng kính và góc uốn của ống.
• Công nghệ uốn tự do (Free Bending Forming - FBF): So sánh giữa hệ thống uốn 3 trục, 5 trục và 6 trục. Ống kim loại được thoi đẩy tịnh tiến dọc theo trục Z vào giữa thanh dẫn hướng và khuôn uốn tiếp xúc động. Quá trình uốn diễn ra liên tục nhờ sự phối hợp chuyển động trong mặt phẳng XY và chuyển động quay quanh trục dẫn hướng.
• Các thông số hình học và cơ học của phép uốn ống:
  • Bán kính đường tâm (Centerline Radius - CLR): Bán kính của đường tròn đi qua tâm hình học tại góc uốn, thường được chọn theo tỷ lệ đường kính ngoài ống $D$ (như 1D, 2D, 3D, 4D, 5D). Bán kính lớn giúp giảm độ giãn dài thớ ngoài nhưng chiếm nhiều không gian lắp đặt.
  • Độ mỏng thành ống và ma sát: Xác định sự giảm chiều dày thành ngoài tại cung uốn do lực kéo dãn dọc trục và lực ma sát tiếp xúc giữa phôi với cơ cấu dẫn hướng.
  • Chiều dài kẹp chặt: Xác định độ dài đoạn kẹp phôi cần thiết nhằm tránh trượt phôi hoặc hình thành nếp nhăn cục bộ trong các lần uốn liên tiếp.
• Phương pháp phân tích kỹ thuật: Áp dụng phương pháp phân tích lực tĩnh, độ cứng vững cơ cấu bằng ma trận đàn hồi; tiếp cận các phương pháp tính toán động học như phương pháp Euler, phương pháp Lagrange và phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) để đánh giá trạng thái ứng suất, chuyển vị và phản lực uốn.
• Vật liệu học kim loại: Nghiên cứu các nhóm vật liệu ống uốn gồm thép cacbon, hợp kim nhôm, đồng và các dòng thép không gỉ (austenitic, ferritic, martensitic, duplex, precipitation-hardening). Đồ án lựa chọn ống thép không gỉ Inox 304 (chứa xấp xỉ 18% Crom và 8% Niken) làm phôi thực nghiệm nhờ cơ tính dẻo cao, độ giãn dài lớn khi uốn nguội, không bị nứt vỡ bề mặt và khả năng chống ăn mòn xuất sắc.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm: mô hình hóa kết cấu 3D trên phần mềm thiết kế cơ khí (SolidWorks, Inventor); tính toán chế độ cắt (chiều sâu cắt $t$, lượng chạy dao $S$, tốc độ cắt $V$, tốc độ quay trục chính $n$) theo công thức sổ tay công nghệ chế tạo máy; gia công phay, tiện, khoan, taro trên máy công cụ thực tế; lắp ráp và đo kiểm dịch chuyển bằng thước quang số hóa.

Thiết kế và triển khai

Căn cứ vào việc phân tích máy uốn ống điều khiển số NC mã hiệu DW50NC (trọng lượng 1220 kg, công suất động cơ 5,5 kW, sử dụng hệ thống truyền động thủy lực Yuken của Nhật Bản với áp suất làm việc 12 MPa), nhóm nghiên cứu đã tiến hành đánh giá ưu nhược điểm của ba phương án kết cấu trước khi đưa vào chế tạo thực tế.

Phương án thiết kế	Nguyên lý hoạt động	Ưu điểm chính	Nhược điểm kỹ thuật
Phương án 1: Máy uốn ống thủy lực	Xy lanh thủy lực đẩy cụm kẹp di chuyển phôi ống dọc thanh định vị vào đầu uốn	Lực kẹp và lực đẩy rất lớn; kẹp được nhiều cỡ ống; độ chính xác cao	Kích thước cồng kềnh, chi phí chế tạo và linh kiện thủy lực cao
Phương án 2: Uốn bằng đầu con lăn	Động cơ dẫn động các bánh xe con lăn quay để dẫn và miết ống liên tục	Phù hợp uốn hàng loạt chi tiết đối xứng; định vị phôi tốt	Tốn diện tích xưởng khi phôi dài; khả năng uốn biên dạng phức tạp thấp
Phương án 3: Đầu uốn ống nhiều bậc tự do (Được chọn)	Cơ cấu song song Stewart thay đổi chiều dài các chân máy để dịch chuyển tấm con lăn	Tạo hình biên dạng 3D rất phức tạp; uốn tự do không cần thay khuôn; linh hoạt và tiết kiệm chi phí	Thiết kế cơ khí và liên kết động học phức tạp; đòi hỏi chế tạo chính xác

Hệ thống cơ khí hoàn chỉnh của mô hình được thiết kế và triển khai gồm các cụm bộ phận chức năng:

• Khung máy và bệ đỡ: Gia công từ thép định hình, có chức năng định vị không gian, cố định các cụm cơ cấu và triệt tiêu rung động, chống lật đổ trong quá trình chịu phản lực uốn.
• Cụm dẫn động và truyền động vít me: Động cơ điện truyền mô-men xoắn qua hộp giảm tốc trục vít - bánh vít. Trục ra của hộp giảm tốc nối với bánh răng chủ động nhỏ, ăn khớp với bánh răng lớn lắp bao ngoài trục vít me. Khi đai ốc quay tròn, trục vít me chuyển động tịnh tiến dọc trục để đẩy các chân máy.
• Cụm định hướng và ống chống console: Cố định phôi ống dọc hành trình đẩy, giữ phôi không bị uốn dọc hoặc chịu tải trọng công-xôn trước khi đi vào vùng biến dạng dẻo của đầu uốn.
• Cụm tạo hình đầu uốn nhiều bậc tự do: Gồm 6 chân máy tịnh tiến liên kết với tấm đế 4, các bạc dẫn hướng LMH20UU, khớp nối cứng kích thước 15x16 mm và tấm mang con lăn uốn.

Quy trình công nghệ gia công cơ khí các chi tiết phi tiêu chuẩn được thực hiện nghiêm ngặt tại xưởng máy:

• Bánh răng nhỏ: Chế tạo từ phôi thép tròn đặc đường kính $\varnothing 75\text{ mm}$, chiều dày $35\text{ mm}$ trên máy tiện Mascut. Nguyên công 1 thực hiện vạt mặt đầu phôi: tiện thô với chiều sâu cắt $t = 2\text{ mm}$, tốc độ quay trục chính $n = 310\text{ vòng/phút}$ (tốc độ cắt tính toán $297\text{ m/phút}$), lượng chạy dao $S = 0,3\text{ mm/vòng}$; tiện tinh mặt đầu lượng dư $1\text{ mm}$ chia 2 lát cắt ($t = 0,5\text{ mm}$), tốc độ $n = 610\text{ vòng/phút}$ ($542\text{ m/phút}$), $S = 0,15\text{ mm/vòng}$; sau đó vát mép chamfer và khoan lỗ chống tâm. Nguyên công 2 tiến hành chống tâm, tiện ngoài hạ kích thước đường kính từ $\varnothing 75\text{ mm}$ xuống $\varnothing 69,7\text{ mm}$ trên chiều dài $20\text{ mm}$ qua hai bước thô và tinh, sau đó đưa đi nhiệt luyện tôi cứng bề mặt răng.
• Gia công hệ thống trụ, trục và tấm đỡ: Gia công 4 trụ đỡ kích thước $\varnothing 40 \times 400\text{ mm}$ (khoan lỗ dọc tâm $\varnothing 14\text{ mm}$); gia công các trục dẫn hướng $\varnothing 18 \times 217\text{ mm}$, trục ren $\varnothing 18\text{ M}16 \times 1,5$; phay mặt phẳng và khoan lỗ bu-lông định vị trên tấm giữ motor (kích thước bao $90 \times 107\text{ mm}$), tấm đế 1, tấm giữ trên 2, tấm đế 4, tấm đỡ ống console và tấm con lăn uốn trên máy phay vạn năng 2500QM.

Quá trình lắp ráp và đo kiểm hệ thống:

1. Lắp bánh răng lớn ăn khớp với bạc bao ngoài vít me, cố định bằng vòng phe chắn trục đường kính $\varnothing 55\text{ mm}$ và lắp cụm vòng bi vào tấm đế motor.
2. Lắp bánh răng nhỏ vào trục ra của hộp số giảm tốc, căn chỉnh khoảng cách trục và độ rơ ăn khớp bánh răng.
3. Lắp các trụ đỡ $\varnothing 40\text{ mm}$ và tấm giữ trên 2 vào thân đế motor, bắt chặt các thanh ray trượt dẫn hướng vào cụm vít me.
4. Lắp ráp cụm thoi đẩy, tấm đỡ ống console vào tấm đế 1; cố định cụm đầu máy lên khung máy bằng liên kết bu-lông và con mã nhôm định hình.
5. Lắp ráp các bạc dẫn hướng LMH20UU, khớp nối cứng $15 \times 16\text{ mm}$, kết nối các chân trục ren $\text{M}16 \times 1,5$ vào tấm đế 4 và tấm con lăn tạo hình.
6. Tích hợp bộ thước quang Sino model KA300-70 vào cơ cấu chuyển động của đầu máy để đo đạc và hiển thị trực tiếp hành trình dịch chuyển tịnh tiến của các trục uốn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu chế tạo các đường ống dẫn cong nhiều hướng trong công nghiệp chế tạo thiết bị, điện tử, y tế và xây dựng mà không cần dùng phương pháp cắt hàn. Tác giả nêu rõ ý nghĩa khoa học trong việc phát triển công nghệ uốn tự do FBF và ý nghĩa thực tiễn giúp nâng cao năng suất, tiết kiệm chi phí đầu tư khuôn mẫu. Đồ án xác lập các mục tiêu kỹ thuật cụ thể: thiết kế cụm định hướng ống, loại bỏ ứng suất chịu console của phôi, định hướng sử dụng động cơ servo điều khiển uốn ba trục không gian, thiết kế thoi đẩy chịu lực 1000 kg để đẩy ống đường kính $\varnothing 10\text{ mm}$, dày $0,3\text{ mm}$, chiều dài tối đa $2\text{ m}$. Chương này cũng trình bày tổng quan về phương pháp luận và kết cấu 6 chương của báo cáo.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương 2 trình bày chi tiết về đặc tính và kết cấu cơ bản của mô hình đầu uốn nhiều bậc tự do. Tác giả khảo sát các công trình nghiên cứu ngoài nước tiêu biểu như: nghiên cứu thiết kế và phân tích máy uốn ống đa trục của Đại học Công nghệ Hoa Trung (Trung Quốc); hệ thống uốn ống đa trục điều khiển thời gian thực của Đại học Công nghệ Tokyo (Nhật Bản); và nghiên cứu ứng dụng uốn ống đa trục cho hàng không vũ trụ tại Viện Công nghệ California (Mỹ). Về nghiên cứu trong nước, đề tài phân tích kết quả chế tạo thiết bị uốn ống CNC của ThS. Bùi Quang Vinh (uốn ống $\varnothing 10\text{ mm}$ dày $0,8\text{ mm}$, tốc độ uốn $800\text{ mm/phút}$, bán kính uốn nhỏ nhất $100 \pm 1\text{ mm}$, chiều dài ống $3\text{ m}$) và nghiên cứu mô hình cơ cấu song song Hexapod theo nguyên lý Stewart của nhóm tác giả Đặng Văn Nghìn, Nguyễn Minh Tuấn, Từ Diệp Công Thành tại Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM. Bên cạnh việc phân tích ứng dụng rộng rãi trong hệ thống dẫn khí y tế, cổ góp xe ô tô, động cơ tên lửa RD-191, chương 2 chỉ ra 7 nhóm tồn tại lớn: chi phí đầu tư ban đầu cao, khó khăn thiết kế, phức tạp khi sản xuất hàng loạt, nguy cơ sai lệch độ bền và độ chính xác, khó khăn trong bảo trì thay thế linh kiện, thách thức tiếp cận thị trường và xây dựng thương hiệu.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 3 tập trung giải quyết nền tảng cơ học đàn hồi của quá trình uốn ống. Tác giả trình bày phương pháp xác định bậc tự do của cơ cấu nhiều thành phần trong không gian; các yếu tố công nghệ cốt lõi gồm: bán kính đường tâm ống sau uốn ($1D, 2D, 3D, 4D$), sự mỏng độ dày thành ống ngoài vùng uốn cong dưới tác động của ma sát và biến dạng kéo, chiều dài đoạn kẹp phôi cần thiết nhằm chống trượt. Tiếp theo, chương này trình bày phương pháp phân tích lực tĩnh, tính toán ma trận độ cứng vững của cơ cấu nhiều chân, cùng các phương pháp động học (Euler, Lagrange, FEM) để xác định điểm uốn, lực uốn, lực kéo và phản lực đàn hồi. Phần cuối chương dành cho việc tổng quan các loại vật liệu uốn (thép, nhôm, gỗ, nhựa, composite, các dòng thép không gỉ austenitic, ferritic, martensitic, duplex) và luận giải việc chọn phôi ống Inox 304 đường kính $\varnothing 10\text{ mm}$ làm vật liệu thực nghiệm chính.

Chương 4: Phương hướng và các giải pháp về chế tạo mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do

Chương 4 phân tích các yêu cầu kỹ thuật và thông số từ máy uốn ống tham khảo NC DW50NC (uốn ống tối đa $\varnothing 50 \times 3\text{ mm}$, bán kính uốn lớn nhất $R350\text{ mm}$, góc uốn cực đại $190^\circ$, chiều dài trục tâm $2200\text{ mm}$, áp lực dầu $12\text{ MPa}$, khối lượng $1220\text{ kg}$). Từ đó, tác giả xây dựng và so sánh ba phương án thiết kế kết cấu: uốn bằng thủy lực, uốn bằng đầu con lăn và đầu uốn nhiều bậc tự do. Tác giả phân tích lý do quyết định lựa chọn Phương án 3 dựa trên nguyên lý cơ cấu song song Stewart: cho phép tạo hình sản phẩm 3D phức tạp, độ linh hoạt cao, uốn được ống dài mà không tốn diện tích đổi khuôn, tiết kiệm chi phí đầu tư đồ gá. Sơ đồ động lực học và nguyên lý biến đổi chuyển động từ động cơ qua hộp giảm tốc, bánh răng nghiêng/thẳng đến vít me tịnh tiến từng chân máy cũng được làm rõ tại chương này.

Chương 5: Quy trình công nghệ gia công một số chi tiết

Chương 5 là nội dung trọng tâm về công nghệ gia công cắt gọt cơ khí của đồ án. Nhóm tác giả trình bày bản vẽ chế tạo, địa điểm thực hiện (Xưởng Bộ Môn Thực Hành Nghề), thiết bị máy móc (máy tiện Mascut, máy phay 2500QM), dụng cụ cắt gọt (chíp tiện T16 R04, dao khoan SK200M) và các bước nguyên công chi tiết cho từng bộ phận:

• Gia công chi tiết bánh răng nhỏ từ phôi $\varnothing 75 \times 35\text{ mm}$: tính toán chế độ cắt, tiện thô/tinh mặt đầu, vát mép, khoan tâm, tiện trụ ngoài đạt kích thước $\varnothing 69,7\text{ mm}$ dài $20\text{ mm}$ và nhiệt luyện.
• Gia công trục bánh răng lớn, chi tiết bao ngoài trục vít me và lắp ghép đai ốc.
• Gia công cụm định hướng vít me gồm ray trượt, thanh dẫn hướng, trục dẫn hướng $\varnothing 10 \times 188\text{ mm}$.
• Gia công cụm chân đầu uốn: trục ren $\varnothing 18 \times 217\text{ mm}$, trục ren $\varnothing 18\text{ M}16 \times 1,5$, tấm cố định.
• Gia công cụm đế và trụ đỡ: 4 trụ đỡ $\varnothing 40 \times 400\text{ mm}$ (khoan lỗ $\varnothing 14\text{ mm}$), tấm đế 1, tấm giữ motor ($90 \times 107\text{ mm}$), tấm giữ trên 2, tấm đế 4, tấm con lăn và tấm đỡ ống chống console.

Chương 6: Lắp ráp, thử nghiệm và đánh giá

Chương 6 trình bày toàn bộ quy trình lắp ráp cơ khí từng bước của hệ thống: lắp bánh răng vào bao ngoài vít me với vòng phe $\varnothing 55\text{ mm}$; lắp bao ngoài lên đế motor cùng ổ bi; lắp bánh răng nhỏ với hộp số; lắp trụ đỡ $\varnothing 40\text{ mm}$ vào tấm giữ trên 2; lắp ráp hệ thống ray trượt, vít me và tấm đỡ ống console vào tấm đế 1; gá đặt đầu máy lên khung máy và siết chặt bu-lông; liên kết các khớp nối cứng $15 \times 16\text{ mm}$, bạc dẫn hướng LMH20UU và lắp cụm chân uốn vào tấm con lăn tạo hình. Tác giả tiến hành tích hợp bộ thước quang Sino KA300-70 vào cơ cấu chuyển động của đầu uốn, thực hiện kiểm nghiệm khả năng vận hành của cơ cấu truyền động và tiến hành uốn thử nghiệm thực tế với phôi ống inox 304 đường kính $\varnothing 10\text{ mm}$. Phần cuối chương thảo luận về những hạn chế vận hành và đề xuất giải pháp cải tiến kết cấu cho thiết bị.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả chế tạo thực tế và đóng góp kỹ thuật cụ thể như sau:

• Chế tạo hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm cơ khí: Nhóm nghiên cứu đã hiện thực hóa thành công mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do dựa trên nguyên lý cơ cấu song song Stewart, bao gồm đầy đủ 4 phân hệ chính: hệ thống khung máy chịu lực; cụm truyền động động cơ - hộp số giảm tốc - bánh răng - vít me; cụm định hướng phôi và ống đỡ chống console; cụm đầu tạo hình đa hướng tích hợp tấm con lăn uốn.
• Hoàn thành quy trình công nghệ gia công chi tiết cơ khí: Gia công đạt độ chính xác kích thước và độ bóng bề mặt theo thiết kế cho hàng loạt chi tiết phi tiêu chuẩn: bánh răng nhỏ (sau tôi đạt kích thước $\varnothing 69,7\text{ mm}$), bao ngoài vít me, trục dẫn hướng $\varnothing 18\text{ M}16 \times 1,5$, trụ đỡ $\varnothing 40 \times 400\text{ mm}$ (lỗ khoan $\varnothing 14\text{ mm}$), tấm giữ motor kích thước $90 \times 107\text{ mm}$, tấm con lăn và tấm đỡ ống console trên máy tiện Mascut và máy phay 2500QM.
• Tích hợp cảm biến đo lường chính xác: Tích hợp thành công bộ thước quang Sino mã hiệu KA300-70 trực tiếp lên đầu uốn ống, tạo điều kiện thuận lợi cho việc đo đạc, kiểm soát hành trình tịnh tiến của các chân máy với độ chính xác cao.
• Kết quả thử nghiệm uốn: Mô hình đã vận hành thử nghiệm uốn thực tế trên vật liệu ống thép không gỉ Inox 304 đường kính ngoài $\varnothing 10\text{ mm}$, kiểm chứng được khả năng đẩy phôi của thoi đẩy thiết kế (đáp ứng thông số lực đẩy lý thuyết 1000 kg, chiều dài phôi tối đa $2\text{ m}$) và định vị phôi uốn ổn định qua ống console.
• Giải pháp và cải tiến đề xuất: Tác giả đề xuất phương án gia cố thêm độ cứng vững cho khung bệ máy; triệt tiêu khe hở ăn khớp và độ rơ cơ khí tại các khớp nối chân uốn; tích hợp hoàn chỉnh hệ thống điều khiển tự động vòng kín sử dụng động cơ servo 3 trục liên kết máy tính nhằm nâng cao độ chính xác góc uốn.
• Đóng góp học thuật và công nghệ: Đồ án đã hệ thống hóa cơ sở lý thuyết công nghệ uốn tự do FBF và nguyên lý Stewart áp dụng cho tạo hình ống tại Việt Nam; cung cấp quy trình công nghệ gia công cơ khí cụ thể, làm tài liệu tham khảo thực nghiệm giá trị cho việc nội địa hóa các dòng máy uốn ống biến dạng tự do thay thế máy nhập ngoại đắt tiền.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù đã chế tạo thành công mô hình phần cứng cơ khí, đồ án vẫn còn một số hạn chế được nhận diện từ thực tế nghiên cứu:

• Thiết bị mới dừng lại ở mức độ vận hành cơ khí và uốn thử nghiệm bước đầu; chưa tích hợp hoàn chỉnh hệ thống điều khiển tự động nhiều trục đồng bộ bằng động cơ servo và máy tính như mục tiêu thiết kế lý thuyết đặt ra trong Chương 1.
• Trong quá trình uốn thử nghiệm, do gia công trên máy công cụ vạn năng cắt gọt thông thường nên cụm chân uốn và các khớp liên kết vẫn tồn tại độ rơ cơ khí nhất định, có thể gây sai lệch bán kính uốn khi uốn các ống kim loại có chiều dày lớn hoặc độ cứng cao.
• Đồ án chưa thực hiện các phép đo định lượng cụ thể về hiện tượng hồi phục đàn hồi (springback), độ mỏng thực tế của thành ngoài ống và độ ô van hóa tiết diện ống sau khi uốn để đối chiếu với mô hình tính toán lý thuyết.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả định hướng:

• Thiết kế và lập trình hoàn thiện mạch điều khiển điện tử, kết nối máy tính và điều khiển đồng thời các động cơ servo theo 3 trục tọa độ để uốn tự động các đường cong không gian phức tạp.
• Cải tiến kết cấu cơ khí của các khớp nối chân uốn, sử dụng vật liệu hợp kim có độ bền cao hơn nhằm nâng cao độ cứng vững và triệt tiêu độ rơ lỏng.
• Xây dựng phần mềm mô phỏng và thuật toán bù trừ biến dạng hồi phục đàn hồi tự động cho các loại vật liệu ống khác nhau (nhôm, đồng, inox).

Giá trị tham khảo

Bản đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên và học viên chuyên ngành: Sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ kỹ thuật, Cơ điện tử và Kỹ thuật công nghiệp đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp về thiết kế máy, cơ cấu song song (Stewart platform / Hexapod) hoặc công nghệ uốn kim loại tấm - ống.
• Kỹ sư cơ khí và cán bộ kỹ thuật: Các kỹ sư thiết kế máy tại doanh nghiệp sản xuất phụ tùng ô tô, xe máy, điều hòa không khí, thiết bị y tế có nhu cầu tìm hiểu nguyên lý uốn biến dạng dẻo tự do không khuôn (FBF) nhằm tối ưu hóa chi phí sản xuất ống cong phức tạp.

Nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu nhất trong tài liệu gồm:

• Toàn bộ Chương 5 với quy trình công nghệ lập phiếu gia công chi tiết thực tế: từ việc tính toán chế độ cắt (chiều sâu cắt $t$, lượng chạy dao $S$, tốc độ trục chính $n$), chọn dụng cụ cắt (chíp tiện T16 R04, dao khoan SK200M) đến các bước gá đặt, tiện thô, tiện tinh, vát mép và khoan tâm trên máy tiện Mascut và máy phay 2500QM.
• Bản vẽ phân rã kết cấu 3D và phương pháp lắp ráp từng bước cơ cấu cụm đầu uốn nhiều bậc tự do, cụm bánh răng vít me và cách bố trí cảm biến thước quang Sino KA300-70.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu đầu uốn nhiều bậc tự do trong đồ án hoạt động dựa trên nguyên lý cơ học nào?
Mô hình hoạt động dựa trên nguyên lý bệ dịch chuyển song song do Stewart đưa ra năm 1965 (nguyên lý Stewart / Hexapod). Cơ cấu bao gồm 6 chân máy có thể thay đổi chiều dài tịnh tiến độc lập thông qua bộ truyền động vít me - đai ốc, liên kết giữa bệ tĩnh và bệ động bằng các khớp nối. Khi thay đổi hành trình tịnh tiến của các chân máy, góc nghiêng và vị trí của tấm con lăn uốn trên bệ động trong không gian 3D sẽ thay đổi tương ứng, giúp uốn ống theo các biên dạng cong tự do mà không cần thay khuôn uốn tĩnh.

2. Phôi uốn thực nghiệm trong đồ án được nhóm tác giả lựa chọn là loại vật liệu nào và kích thước bao nhiêu?
Nhóm nghiên cứu chọn phôi uốn thực nghiệm là ống thép không gỉ Inox 304 (thép austenitic chứa 18% Crom và 8% Niken) có quy cách đường kính ngoài $\varnothing 10\text{ mm}$ và chiều dày thành ống $0,3\text{ mm}$. Vật liệu này được lựa chọn do có độ bền cao, tính dẻo và độ giãn dài khi biến dạng uốn nguội rất tốt, bề mặt bóng thẩm mỹ và khả năng chống ăn mòn cao.

3. Thiết bị đo lường hành trình nào được lắp đặt trực tiếp trên mô hình đầu uốn để kiểm soát dịch chuyển?
Mô hình được tích hợp bộ thước quang đo dịch chuyển số hóa của hãng Sino, model KA300-70. Thước quang được lắp cố định vào cơ cấu chuyển động của đầu uốn để theo dõi và hiển thị trực tiếp hành trình dịch chuyển tịnh tiến của các cụm uốn, hỗ trợ kiểm nghiệm khả năng vận hành chính xác của hệ thống.

4. Quy trình tiện thô mặt đầu chi tiết bánh răng nhỏ trên máy tiện Mascut sử dụng các thông số chế độ cắt nào?
Trong nguyên công 1 gia công bánh răng nhỏ từ phôi thép tròn $\varnothing 75 \times 35\text{ mm}$, bước tiện thô mặt đầu được thực hiện với chiều sâu cắt $t = 2\text{ mm}$ (tiện 1 lần), tốc độ quay trục chính máy tiện cài đặt $n = 310\text{ vòng/phút}$ (tốc độ cắt tính toán đạt $297\text{ m/phút}$) và lượng chạy dao $S = 0,3\text{ mm/vòng}$.

5. Vì sao nhóm tác giả lại lựa chọn phương án đầu uốn nhiều bậc tự do thay vì phương án máy uốn thủy lực truyền thống?
Mặc dù máy uốn thủy lực có lực đẩy và lực kẹp lớn, nhưng kết cấu cồng kềnh, chi phí chế tạo cao và bị giới hạn bởi khuôn uốn tĩnh. Phương án đầu uốn nhiều bậc tự do theo nguyên lý cơ cấu song song được lựa chọn vì có khả năng tạo hình các biên dạng không gian 3D rất phức tạp, độ linh hoạt cao, tiết kiệm thời gian gia công nhờ không phải thay đổi khuôn mẫu khi đổi bán kính uốn, đồng thời giảm thiểu chi phí đầu tư thiết bị phụ trợ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Chế tạo mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế, lập quy trình công nghệ gia công cắt gọt và chế tạo thực tế một hệ thống đầu uốn ống không khuôn dựa trên nguyên lý cơ cấu song song Stewart. Mô hình phần cứng hoàn chỉnh gồm khung máy, cụm truyền động vít me - đai ốc, cụm thoi đẩy lực 1000 kg, cụm định hướng ống console và đầu uốn con lăn tích hợp thước quang Sino KA300-70 đã được lắp ráp và vận hành uốn thử nghiệm thành công trên phôi ống inox 304 đường kính $\varnothing 10\text{ mm}$. Đây là công trình kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao trong ngành công nghệ chế tạo máy, cung cấp giải pháp công nghệ tạo hình uốn ống tự do linh hoạt, mở ra hướng nghiên cứu làm chủ và tự động hóa các thiết bị uốn ống không gian phức tạp tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 giới thiệu về đề tài + Chương 2 trình bày về tổng quan nghiên cứu đề tài + Chương 3 đề cập đến cơ sở lý thuyết + Chương 4 bao gồm phương hướng và các giải pháp về chế tạo mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do + Chương 5 giải quyết về quy trình công nghệ gia công một số chi tiết + Chương 6 đề cập về chế tạo thử nghiệm và đánh giá, kết luận 5 CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2. Giới thiệu Đối tượng nghiên cứu của chế tạo mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do là các robot hoặc máy móc có khả năng uốn cong linh hoạt và điều chỉnh hướng di chuyển của ống dẫn, như trong các ứng dụng trong ngành công nghiệp, y tế, nông nghiệp, và nhiều lĩnh vực khác. Nó được thiết kế để giải quyết các vấn đề phức tạp trong việc điều khiển các ống dẫn. Với khả năng uốn cong linh hoạt và điều chỉnh hướng di chuyển của ống dẫn, mô hình này giúp cho các robot và máy móc có thể thực hiện các tác vụ phức tạp và khó khăn một cách dễ dàng và hiệu quả hơn.

Chế tạo mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do là một chủ đề rất phức tạp và đòi hỏi kiến thức chuyên môn cao. Một số vấn đề liên quan đến chủ đề này: - Thiết kế mô hình: Để chế tạo một mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do, cần phải thiết kế một mô hình chính xác và đầy đủ các chi tiết cần thiết. Điều này đòi hỏi kiến thức về kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật điện tử và kỹ thuật máy tính. - Vật liệu: Chọn vật liệu phù hợp để chế tạo mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do là một vấn đề quan trọng.

Vật liệu phải đáp ứng được yêu cầu về độ bền, độ cứng và độ chịu nhiệt. - Các bộ phận chính: Mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do bao gồm nhiều bộ phận chính như động cơ, bộ truyền động, bộ điều khiển và cảm biến. Các bộ phận này phải được lắp ráp và điều chỉnh chính xác để đảm bảo hoạt động tốt của mô hình. - Phần mềm điều khiển: Để điều khiển mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do, cần phải sử dụng phần mềm điều khiển phù hợp.

Phần mềm này phải được lập trình để điều khiển các bộ phận của mô hình và thu thập dữ liệu từ các cảm biến. - Kiểm tra và hiệu chỉnh: Sau khi chế tạo xong, mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do cần được kiểm tra và hiệu chỉnh để đảm bảo hoạt động tốt và đáp ứng được yêu cầu của người sử dụng. Đặc tính của mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do Mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do là một thiết bị cơ khí điện tử được sử dụng để uốn ống theo các góc độ khác nhau. Đặc tính của mô hình này bao gồm: - Độ chính xác cao: Mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do được thiết kế để uốn ống với độ chính xác cao, giúp đảm bảo các ống được uốn đúng góc độ và hình dạng cần thiết.

- Điều khiển bằng máy tính: Mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do được điều khiển bằng máy tính, giúp tăng tính tự động và độ chính xác trong quá trình uốn ống. - Điều chỉnh được độ uốn: Mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do có thể điều chỉnh được 6 CHƯƠNG 2 độ uốn của ống, từ đó giúp đáp ứng được nhiều yêu cầu khác nhau của người sử dụng. - Tính linh hoạt: Mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do có thể uốn được nhiều loại ống khác nhau, từ ống nhỏ đến ống lớn, giúp tăng tính linh hoạt trong quá trình sử dụng. - Tính ứng dụng cao: Mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như sản xuất ô tô, sản xuất máy móc, sản xuất đồ gia dụng, sản xuất thiết bị y tế,.

Kết cấu của mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do Mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do bao gồm các thành phần chính sau: - Đầu uốn ống: Là phần chính của mô hình, được thiết kế để uốn ống theo các góc độ khác nhau. Đầu uốn ống có thể được điều khiển bằng máy tính hoặc bằng tay. - Hệ thống điều khiển: Là bộ phận điều khiển hoạt động của mô hình, giúp điều khiển đầu uốn ống uốn ống theo các góc độ cần thiết. - Hệ thống cung cấp năng lượng: Là bộ phận cung cấp năng lượng cho mô hình, bao gồm các thiết bị như động cơ, bơm,.

- Hệ thống khung: Là khung chịu lực của mô hình, giúp giữ cho mô hình ổn định và đảm bảo độ chính xác trong quá trình uốn ống. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 2. Các nghiên cứu ngoài nước Có nhiều nghiên cứu ngoài nước đã được thực hiện liên quan đến mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do. Một số ví dụ như sau: - "Design and analysis of a multi-axis tube bending machine" - Nghiên cứu này được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu tại Trường Đại học Công nghệ Huazhong ở Trung Quốc.

Nghiên cứu tập trung vào thiết kế và phân tích một mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do mới, với mục tiêu tăng độ chính xác và độ ổn định trong quá trình uốn ống. - "Multi-axis tube bending machine with real-time control" - Nghiên cứu này được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Tokyo ở Nhật Bản. Nghiên cứu tập trung vào phát triển một mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do mới, với khả năng điều khiển thời gian thực, giúp tăng độ chính xác và độ ổn định trong quá trình uốn ống. - "Multi-axis tube bending machine for aerospace applications" - Nghiên cứu này được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ California ở Mỹ.

Nghiên cứu tập trung vào sử dụng mô hình đầu uốn ống nhiều bậc tự do để sản xuất các bộ phận cho ngành hàng không với độ chính xác cao và độ bền cao. Các nghiên cứu này đều tập trung vào việc phát triển và cải tiến mô hình đầu uốn ống 7 CHƯƠNG 2 nhiều bậc tự do, giúp tăng độ chính xác và độ ổn định trong quá trình uốn ống, và mở rộng ứng dụng của mô hình trong các lĩnh vực khác nhau. Các quy trình uốn dạng tự do hiện đại đang được sản xuất các phương pháp phù hợp với nhu cầu ngày càng tăng để tạo ra hình học uốn phức tạp. Ngược lại với uốn hình học được sản xuất bởi ràng buộc công cụ phổ biến quá trình uốn cong, hình học dạng tự do như vậy có thể có phân bố độ cong và độ xoắn có thể thay đổi liên tục trên trục dọc của chi tiết.

Các ống có hình dạng phức tạp được yêu cầu trong các lĩnh vực khác nhau của ứng dụng như ví dụ trong ngành công nghiệp ô tô hoặc trong kiến trúc và thiết kế hiện đại. Những ống đó và hồ sơ có thể được sử dụng để vận chuyển phương tiện truyền thông hoặc như thành phần cấu trúc. Hình học dạng tự do cho phép một bão hòa hiệu quả hơn của không gian xây dựng và tự do hơn trong xây dựng trong khi chu kỳ sản xuất ngày càng có thể rút ngắn. Hệ thống uốn 3 trục có các thành phần cốt lõi gồm ống, khuôn uốn, ổ đỡ hình cầu, thanh dẫn hướng và cơ chế cấp liệu.

Trong số đó bề mặt hình cầu bên ngoài của khuôn uốn và bề mặt hình cầu bên trong của ổ trục được nối với nhau theo hình cầu, phần đuôi của khuôn uốn và thanh dẫn hướng hợp tác thông qua một thiết kế cơ học độc đáo. Khi hệ thống ở vị trí 0, tâm của ổ đỡ hình cầu, khuôn uốn, thanh dẫn hướng và cơ cấu đưa ống vào nằm trên cùng một trục [3]. Khi trong giai đoạn tạo hình, khuôn uốn ở trạng thái tiếp theo và ống tiếp xúc động với khuôn uốn. Một mặt, tâm hình cầu của khuôn uốn di chuyển tương ứng với chuyển động của hình cầu trong mặt phẳng XY.

Mặt khác, khuôn uốn quay quanh thanh dẫn hướng trong khi chuyển động với ổ cầu. Do đó, hình dáng của khuôn uốn được điều khiển đồng thời bởi chuyển động trong mặt phẳng XY và chuyển động của các thành phần khác quay xung quanh thanh dẫn hướng. Ống được đưa theo chiều dọc (hướng Z) vào vùng biến dạng giữa khuôn ống và thanh dẫn hướng để tạo biến dạng uốn. Cấu trúc 5 trục có 2 dạng, thứ nhất là quay quanh trục Z, thứ hai là quay quanh trục Y.

Cấu trúc 5 trục ở dạng thứ 2 không thể uốn các ống có tiết diện không tròn vì khuôn uốn không thể xoay quanh trục Y. Cấu trục 6 trục có thể quay quanh theo 3 trục X,Y,Z, do tính năng di chuyển tự do, hệ thống FBF 6 trục có thể uốn được các chi tiết có tiết diện phức tạp [5]. So với hệ thống 3 trục, hế thống 5 và 6 trục linh hoạt hơn [6]. Hệ thống FBF dựa trên cơ chế song song có nguyên lý giống các máy CNC 3 trục, 5 trục, 6 trục [7].

khuôn uốn được cố định trên bệ chuyển động của cơ chế song song. Chiều dài của các trục xoay được điều khiển song song bởi hệ thống motor thủy lực. Nó có thể kiểm soát điều khiển tấm di động của hệ trong không gian 3D để tạo nên góc uốn. Các trục xoay dùng để kết nối giữ thớt động và thớt tĩnh nhờ các khớp cầu được lắp tại 2 đầu mỗi thanh [8].

Độ nghiêng cũng như góc uốn trên thớt động được thay đổi thông qua việc thay đổi chiều dài thanh. Cơ chế uốn ống có thể đạt được khả năng tạo hình tốt với độ chính xác cao 8 CHƯƠNG 2 khi độ bền, độ cứng, khả năng chịu tải của 6 trục xoay và các khớp cầu cố định, không bị rơ 2 thớt động và tĩnh trong quá trình tạo hình. Hệ thống FBF có thể làm việc trong không gian nhỏ gọn hơn nhiều so với các hệ thống uốn truyền thống [9]. Các nghiên cứu trong nước Thực tế cho thấy, trong các ngành công nghiệp đang phát triển mạnh tại Việt Nam như ô tô, dầu khí, thực phẩm,… thì tỷ lệ các chi tiết, thiết bị dạng ống chiếm tỷ trọng khá lớn.

Vì thế, các nhà máy luyện thép trong nước đang chủ động hoàn thiện các quy trình và thiết bị chế tạo các phôi thép dạng ống với chất lượng đang ngày càng tiệm cận với thế giới. Bên cạnh đó, chi tiết làm từ phôi ống cũng đã và đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng và trang trí nội thất.