Giới thiệu dự án

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành cơ khí chế tạo máy đóng vai trò xương sống cho sự phát triển của nền kinh tế quốc dân. Theo các thống kê từ Hiệp hội Doanh nghiệp Cơ khí Việt Nam (VAMI), nhu cầu về thiết bị dập - ép tạo hình kim loại phục vụ sản xuất phụ tùng, linh kiện cơ khí chính xác và thiết bị phụ trợ tăng trưởng trung bình 12 - 15%/năm. Tuy nhiên, hơn 70% các hệ thống máy ép thủy lực tải trọng trung bình và lớn tại các nhà máy trong nước vẫn phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu từ Rexroth (Đức), Denison (Mỹ), Veljan (Ấn Độ), Yoken (Đài Loan) hoặc tận dụng các thiết bị cũ đã qua sử dụng với hiệu suất suy giảm và tiềm ẩn rủi ro mất an toàn lao động.

Nhà máy Cơ khí Z751 (Tổng cục Kỹ thuật - Bộ Quốc phòng) đảm nhận nhiệm vụ kép: vừa sửa chữa, chế tạo phụ tùng cơ giới quân sự, vừa gia công đơn hàng công nghiệp dân dụng cho các doanh nghiệp bên ngoài (như Nhà máy Thép Pomina, các đơn vị cơ khí tại TP.HCM và Bình Dương). Thực trạng tại nhà máy cho thấy nhiều thiết bị ép thủy lực đã vận hành qua nhiều thập kỷ, kết cấu khung bệ cồng kềnh, độ chính xác định tâm suy giảm, năng suất không đáp ứng được các chi tiết có độ phức tạp cao, đồng thời phụ tùng thay thế khan hiếm và đắt đỏ.

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                       NHÀ MÁY CƠ KHÍ QUÂN ĐỘI Z751                            |
|  Nhiệm vụ Quốc phòng: Phụ tùng xe tăng, xích xe, dập phôi quân cụ (6 tháng)   |
|  Nhiệm vụ Kinh tế: Dập vuốt tôn, chồn bu lông lục giác, phôi Pomina (6 tháng) |
+-------------------------------------------------------------------------------+
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                    VẤN ĐỀ VÀ THÁCH THỨC KỸ THUẬT HIỆN TẠI                     |
|  - Máy móc cũ kỹ từ Mỹ/Liên Xô, hao mòn dẫn hướng, rò rỉ dầu thủy lực         |
|  - Năng suất thấp, độ cứng vững không đảm bảo cho dập định hình chính xác     |
|  - Máy nhập khẩu mới có chi phí đầu tư cao, kích thước không tối ưu với xưởng  |
+-------------------------------------------------------------------------------+
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                    GIẢI PHÁP ĐỒ ÁN: LÊ THANH TÙNG - ĐH NHA TRANG              |
|  Thiết kế kỹ thuật máy ép thủy lực 70 tấn (F = 686.7 kN) chuyên dụng          |
|  Tối ưu hóa kết cấu xilanh-piston theo Lamé, mạch van Solenoid, khung hở C    |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế kỹ thuật máy ép thủy lực tải trọng 70 tấn phục vụ cho nhà máy cơ khí Z751" do sinh viên Lê Thanh Tùng thực hiện dưới sự hướng dẫn của Th.S Nguyễn Hữu Thật tập trung giải quyết dứt điểm bài toán công nghệ trên.

Mục tiêu cụ thể của dự án được xác định gồm:

  1. Tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí tổng thể của máy ép thủy lực đạt lực ép danh định $F = 70\text{ tấn}$ ($686.7\text{ kN}$).
  2. Thiết kế hoàn chỉnh hệ thống truyền động thủy lực và sơ đồ mạch điều khiển van điện từ Solenoid linh hoạt 2 giai đoạn.
  3. Ứng dụng lý thuyết vỏ dày Lamé và thuyết bền thế năng biến dạng đàn hồi để tối ưu hóa kích thước xilanh, giảm trọng lượng kết cấu.
  4. Lập quy trình công nghệ gia công cơ khí chi tiết trục piston ($\Phi 125\text{ mm}$, chiều dài $L_p = 1150\text{ mm}$) đảm bảo độ cứng vững bề mặt 48 - 60 HRC và độ nhám $Ra \le 0.63\ \mu\text{m}$.
  5. Đảm bảo máy vận hành ổn định trong điều kiện nhiệt đới gió mùa tại Việt Nam, hạn chế suy hao áp suất do nhiệt độ dầu tăng cao.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào máy ép thủy lực đứng công suất trung bình, ứng dụng bộ tác động đơn cấp kết hợp xilanh dẫn hướng, không tích hợp bình tích áp phức tạp nhằm tối ưu hóa chi phí đầu tư và thuận tiện cho việc bảo trì tại xưởng.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tại Nhà máy Z751, các chi tiết gia công bằng máy ép rất đa dạng: nong lỗ má xích xe tăng, ép khuôn sắt, đột dập phôi thép tấm, vuốt phôi yên xe máy, vuốt bình xăng ô tô, chồn đầu bu lông lục giác cường độ cao, và cắt đột theo khuôn định hình.

Tiêu chí phân tích Máy ép 4 trụ truyền thống (Nhập khẩu) Máy ép khung chữ C cũ tại Z751 Máy ép thủy lực 70T thiết kế mới
Không gian thao tác Bị giới hạn bởi 4 trụ dẫn hướng Hở 3 phía nhưng độ võng thân lớn Khung hở tối ưu, độ cứng vững cao
Tính linh hoạt gá đặt Khó thay đổi đầu dập định hình lớn Gá đặt thủ công, sai số cao Thay thế đầu ép nhanh, đa dạng khuôn
Áp suất làm việc danh định $31.5\text{ MPa}$ ($315\text{ bar}$) Không ổn định ($\sim 14 - 16\text{ MPa}$) $20 - 25\text{ MPa}$ ($200 - 250\text{ bar}$)
Chi phí chế tạo & bảo trì Rất cao (linh kiện độc quyền) Cao do hỏng phớt và mòn trục Tối ưu, linh kiện tiêu chuẩn hóa
Khả năng định tâm Định tâm qua 4 bạc dẫn hướng Định tâm cơ khí kém Định tâm trực tiếp qua cụm xilanh-piston

Yêu cầu kỹ thuật hệ thống theo phân loại MoSCoW:

  • Must have (Bắt buộc): Lực ép danh định $70\text{ tấn}$; van an toàn xả tràn tự động khi quá áp; cơ chế dừng khẩn cấp; hệ thống lọc dầu hồi độ sạch cao.
  • Should have (Nên có): Khả năng thay đổi hành trình ép thông qua cữ hành trình điện từ; van phân phối điều khiển bằng điện Solenoid.
  • Could have (Có thể mở rộng): Cụm làm mát cưỡng bức bằng quạt gió; cảm biến áp suất hiển thị điện tử.
  • Won't have (Chưa triển khai): Điều khiển số hóa Servo-Pump vòng kín (nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu).

Thiết kế hệ thống

Hệ thống máy ép thủy lực 70 tấn được cấu thành từ 4 phân hệ chính: Phân hệ kết cấu khung máy, Phân hệ chấp hành (Cylinder - Piston), Phân hệ nguồn và điều khiển thủy lực, Phân hệ gá dập định hình.

                    +-----------------------------+
                    |    NGUỒN ĐỘNG LỰC CHÍNH     |
                    | Động cơ điện 3 pha + Khớp nối|
                    +-----------------------------+
                    +-----------------------------+
                    |     BƠM THỦY LỰC CAO ÁP     |
                    | (Bơm Piston / Bơm Bánh răng)|
                    +-----------------------------+
|   KHỐI VAN BẢO VỆ ÁP     |             |      KHỐI VAN ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG     |
| - Van tràn áp (Relief)   |             | - Van Solenoid 4/3 vị trí          |
| - Van một chiều chống tụt|             | - Van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng|
                    +-----------------------------+
                    |    BỘ TÁC ĐỘNG CHẤP HÀNH    |
                    | Cụm Xilanh - Piston Thủy lực|
                    | Dập / Nong / Ép định hình   |
                    +-----------------------------+
                    +-----------------------------+
                    |   HỆ THỐNG XỬ LÝ DẦU HỒI    |
                    | Bộ lọc tinh + Thùng chứa dầu|
                    +-----------------------------+

1. Tính toán bền xilanh thủy lực theo lý thuyết Lamé

Xilanh thủy lực làm việc dưới áp suất chất lỏng rất cao ($p$), được tính toán theo mô hình ống dày chịu áp suất trong. Theo công thức Lamé, các thành phần ứng suất tại bán kính $r$ (với $r_B \le r \le r_H$) được xác định:

  • Ứng suất hướng kính: $$\sigma_r = \frac{p \cdot r_B^2}{r_H^2 - r_B^2} \left(1 - \frac{r_H^2}{r^2}\right)$$

  • Ứng suất tiếp tuyến (ứng suất vòng): $$\sigma_t = \frac{p \cdot r_B^2}{r_H^2 - r_B^2} \left(1 + \frac{r_H^2}{r^2}\right)$$

  • Ứng suất dọc trục sinh ra do áp lực tác dụng lên đáy xilanh: $$\sigma_z = \frac{p \cdot r_B^2}{r_H^2 - r_B^2}$$

Tại bề mặt trong của xilanh ($r = r_B$), ứng suất tiếp tuyến đạt cực đại: $\sigma_{t,\max} > \sigma_z > \sigma_r$. Theo thuyết bền năng lượng biến dạng (thuyết bền 4), ứng suất tương đương $\sigma_e$ lớn nhất tại thành trong: $$\sigma_e = \sqrt{\sigma_t^2 + \sigma_z^2 + \sigma_r^2 - (\sigma_t \sigma_z + \sigma_z \sigma_r + \sigma_r \sigma_t)} = \sqrt{3} \cdot p \cdot \frac{r_H^2}{r_H^2 - r_B^2} \le [\sigma]$$

Từ điều kiện bền, bán kính ngoài $r_H$ nhỏ nhất được tối ưu hóa theo áp suất $p$: $$r_H = r_B \sqrt{\frac{[\sigma]}{[\sigma] - \sqrt{3}p}}$$

Với vật liệu xilanh bằng thép đúc C45 có $[\sigma] = 80 - 100\text{ MPa}$, tải trọng danh định $F = 686.700\text{ N}$, đường kính ngoài cần piston được chọn $D_r = 125\text{ mm}$.

2. Kiểm nghiệm ổn định dọc trục của cần piston (Euler Buckling)

Chiều dài làm việc của cần piston $L_p = 1150\text{ mm}$. Để cần piston không bị uốn dọc dưới lực ép cực đại $70\text{ tấn}$, tải trọng tới hạn $P_{th}$ phải thỏa mãn công thức Euler: $$P_{th} = \frac{\pi^2 E J}{(\mu L_p)^2} \ge k \cdot F$$ Trong đó:

  • $E = 2.1 \times 10^5\text{ MPa}$ (Môđun đàn hồi của thép).
  • $J = \frac{\pi D_r^4}{64} = \frac{\pi \cdot 12.5^4}{64} \approx 1198.4\text{ cm}^4$ (Mômen quán tính mặt cắt ngang).
  • $\mu = 2$ (Hệ số phụ thuộc liên kết một đầu ngàm, một đầu tự do tác động lực).
  • $k = 2.5 - 3.5$ (Hệ số an toàn ổn định).

Kết quả tính toán cho thấy $P_{th} \approx 2.410\text{ kN} > 3.5 \times 686.7\text{ kN}$, đảm bảo an toàn chống mất ổn định dọc trục tuyệt đối.

Methodology

Phương pháp thiết kế kết hợp giữa lý thuyết Cơ học máy, Sức bền vật liệu và Tiêu chuẩn công nghiệp thủy lực (ISO 4413:2010):

  • Phân tích tải trọng làm việc: Xác định biểu đồ phụ tải $F - S$ và tính toán công suất cực đại ở giai đoạn biến dạng dẻo kim loại: $N_p = N_b = N_{dc}$.
  • Chuẩn hóa linh kiện: Lựa chọn van đảo chiều điện từ Solenoid 4/3 tâm đóng, van an toàn tác động gián tiếp, dầu khoáng công nghiệp ISO VG 46 có độ nhớt động học $46\text{ cSt}$ ở $40^\circ\text{C}$.
  • Thiết kế công nghệ: Tối ưu hóa quy trình gia công cơ khí trên các máy công cụ vạn năng sẵn có tại xưởng Z751.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình chế tạo trục piston ($\Phi 125\text{ mm}$) - chi tiết chịu lực then chốt của máy ép thủy lực:

[Phôi rèn Thép C45/40Cr] 
[Nguyên công 1: Tiện thô & tinh mặt đầu, khoan lỗ tâm 2 đầu]
[Nguyên công 2: Tiện thô trụ ngoài Phi 128 mm (v = 85 m/ph, s = 0.4 mm/vg, t = 3 mm)]
[Nguyên công 3: Tiện bán tinh & tinh trụ ngoài Phi 125 mm, Phi 60 mm, Phi 45 mm]
[Nguyên công 4: Tiện ren M60x5 lắp đầu dập định hình]
[Nguyên công 5: Nhiệt luyện tôi cao tần bề mặt đạt 48-60 HRC]
[Nguyên công 6: Mài tròn ngoài & Đánh bóng đạt Ra <= 0.63 micromet]
[Nguyên công 7: Mạ Crom cứng bảo vệ chiều dày 40 - 150 micromet chống ăn mòn]

Dưới đây là đoạn thuật toán mô phỏng mối quan hệ giữa áp suất xilanh, lưu lượng bơm và vận tốc dịch chuyển đầu ép được lập trình kiểm thử:

import numpy as np

def calculate_press_parameters(force_tons, piston_diam_mm, rod_diam_mm, pump_flow_lpm):
    """
    Tính toán thông số thủy lực máy ép 70 tấn
    """
    F_N = force_tons * 9806.65  # Đổi tấn sang Newton
    A_piston = (np.pi * (piston_diam_mm / 1000)**2) / 4  # m^2 (Diện tích khoang đẩy)
    A_ring = (np.pi * ((piston_diam_mm / 1000)**2 - (rod_diam_mm / 1000)**2)) / 4 # Khoang về
    
    # Áp suất yêu cầu khi ép (bar)
    pressure_req_pa = F_N / A_piston
    pressure_req_bar = pressure_req_pa / 1e5
    
    # Vận tốc đi xuống và lùi về (m/s)
    Q_m3s = (pump_flow_lpm * 1e-3) / 60
    v_down = Q_m3s / A_piston
    v_up = Q_m3s / A_ring
    
    return {
        "Working Pressure (bar)": round(pressure_req_bar, 2),
        "Pressing Velocity (mm/s)": round(v_down * 1000, 2),
        "Return Velocity (mm/s)": round(v_up * 1000, 2)
    }

# Thực thi với thông số thiết kế Z751
results = calculate_press_parameters(70, 200, 125, 36)
for k, v in results.items():
    print(f"{k}: {v}")

Testing và validation

Quá trình thử nghiệm tĩnh và động được tiến hành tại xưởng thực nghiệm Nhà máy Z751:

  • Thử áp lực thủy lực: Thử bền xilanh ở áp suất $1.25 \times p_{lv}$ ($31.25\text{ MPa}$), giữ áp trong 15 phút không phát hiện hiện tượng biến dạng vĩnh cửu hay nứt rò.
  • Thử tải làm việc: Ép mẫu phôi thép C45 ở các cấp tải trọng $20\text{T}$, $40\text{T}$, $60\text{T}$, $70\text{T}$ và vượt tải $110%$ ($77\text{ tấn}$).
  • Đo độ nhám & rò rỉ: Cần piston đạt độ nhám $Ra = 0.52\ \mu\text{m}$ (đạt tiêu chuẩn $< 0.63\ \mu\text{m}$); cụm gioăng phớt cao su NBR chịu dầu làm việc kín khít, rò rỉ dầu qua khe hở dẫn hướng $\le 0.05\text{ ml/phút}$ (đạt tiêu chuẩn cho phép).
Thử nghiệm tải trọng ép thực tế vs Áp suất hệ thống:

Đổi mới và đóng góp

  1. Đổi mới phương án định tâm tích hợp: Thay thế hoàn toàn hệ thống 4 trụ định hướng cồng kềnh bằng phương án dẫn hướng trực tiếp qua cụm kết cấu xilanh-piston cứng vững. Giải pháp này giúp mở rộng không gian thao tác phôi lên đến $180^\circ$, thuận tiện cho việc gá phôi lớn như má xích xe quân sự và dập tôn vỏ bình xăng.
  2. Tối ưu hóa khối lượng xilanh theo ứng suất Lamé: Ứng dụng công thức tính bán kính tối ưu $r_{H,\min}$ giúp giảm $18.5%$ khối lượng kim loại chế tạo thân xilanh so với việc tính toán theo công thức kinh nghiệm ống mỏng truyền thống, tiết kiệm chi phí vật liệu phôi rèn hợp kim.
  3. Linh hoạt hóa đầu gá dập: Thiết kế đầu nối ren $M60 \times 5$ chuẩn hóa cho phép tháo lắp nhanh các bộ khuôn dập chuyên biệt: đầu dập nong lỗ, đầu dập vuốt sâu, đầu chồn bulông chỉ trong dưới 10 phút.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Hệ thống máy ép thủy lực 70 tấn được đưa vào khai thác trực tiếp tại dây chuyền sản xuất cơ khí của Nhà máy Z751:

  • Gia công chi tiết quân sự: Nong lỗ má xích xe tăng T-54/T-55 với độ sai lệch kích thước lỗ $\le \pm 0.03\text{ mm}$; dập tạo hình các tấm chắn bùn và vỏ hộp thiết bị cơ giới.
  • Sản xuất phụ tùng kinh tế: Vuốt phôi nắp bình xăng xe máy, dập định hình yên xe, chồn phôi bu lông lục giác M24 - M48 cấp bền 8.8 cho Nhà máy Thép Pomina.
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                       PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ KINH TẾ (ROI)                        |
|                                                                               |
|  - Chi phí chế tạo nội địa (vật tư, gia công, cụm van):   ~ 165.000.000 VNĐ   |
|  - Giá máy mới nhập khẩu cùng tải trọng (Đài Loan/Mỹ):     ~ 420.000.000 VNĐ   |
|  - Tiết kiệm chi phí đầu tư trực tiếp:                    ~ 60.7%             |
|  - Năng suất tăng thêm tại Z751:                          + 35% sản lượng phôi|
|  - Thời gian thu hồi vốn dự kiến (Payback period):         ~ 14 tháng         |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế:
    • Mạch thủy lực điều khiển bằng cụm van Solenoid đóng/mở trực tiếp (On/Off), chưa ứng dụng van tỉ lệ điện từ (Proportional Valve) nên việc tinh chỉnh vận tốc ép ở cuối hành trình còn giật cục nhẹ.
    • Hệ thống làm mát dầu vẫn dựa vào tỏa nhiệt tự nhiên qua bề mặt thành thùng chứa, khi máy vận hành liên tục trên 10 giờ trong mùa hè nhiệt độ dầu có thể vượt ngưỡng $60^\circ\text{C}$.
  • Hướng phát triển:
    • Tích hợp bộ điều khiển lập trình PLC (Siemens S7-1200) kết hợp màn hình HMI cảm ứng và thước đo tuyến tính quang học (Linear Scale) để tự động hóa hoàn toàn chu trình ép theo công thức sản phẩm.
    • Lắp đặt két làm mát dầu cưỡng bức bằng gió (Air Oil Cooler) tích hợp cảm biến nhiệt độ tự động đóng ngắt quạt làm mát.

Đối tượng hưởng lợi

|                            ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI                              |
             Nâng cao tính chủ động trong bảo trì, thay thế gioăng phớt,
             linh kiện van thủy lực tiêu chuẩn mà không lo đứt gãy phụ tùng.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật chính để chế tạo và lắp đặt máy ép thủy lực 70T là gì?

Nhà xưởng cần trang bị nguồn điện 3 pha $380\text{V}/50\text{Hz}$, nền móng bê tông mác 250 chịu tải trọng động tối thiểu 5 tấn/m², máy tiện ren vạn năng (như 1K62/16K20), thiết bị tôi cao tần và máy mài bóng ngoài.

2. Vì sao đồ án không chọn phương án máy ép thủy lực 4 trụ?

Máy ép 4 trụ có ưu điểm chịu lực tốt nhưng nhược điểm lớn là cồng kềnh, công nghệ gia công lỗ dẫn hướng trên 2 dầm ngang rất phức tạp, giá thành cao và hạn chế góc đưa phôi lớn vào buồng ép. Phương án kết cấu khung hở tối ưu hóa dẫn hướng bằng xilanh giải quyết triệt để các nhược điểm này đối với tải trọng 70 tấn.

3. Dầu thủy lực nào phù hợp nhất cho điều kiện vận hành tại Việt Nam?

Nên sử dụng dầu thủy lực gốc khoáng chống mài mòn ISO VG 46 hoặc ISO VG 68 (như Castrol Hyspin AWS 46, Shell Tellus S2 M 46). Cần thay dầu định kỳ sau 2.000 giờ làm việc và vệ sinh lưới lọc hút $100\ \mu\text{m}$, lõi lọc hồi $10 - 25\ \mu\text{m}$.

4. Giải pháp chống rò rỉ áp suất và dầu thủy lực trên xilanh 70 tấn?

Sử dụng bộ gioăng phớt làm kín hỗn hợp gồm phớt Piston có vòng đệm Polyurethane (PU) chịu áp cao đến $400\text{ bar}$, kết hợp vòng dẫn hướng bằng phíp đồng và phớt gạt bụi kép tại cổ xilanh. Bề mặt cần piston bắt buộc phải mạ Crom cứng dày $40 - 150\ \mu\text{m}$ và mài đạt $Ra \le 0.63\ \mu\text{m}$.

5. Khả năng tích hợp máy ép này vào dây chuyền sản xuất tự động?

Máy hoàn toàn có thể tích hợp vào dây chuyền dập tự động thông qua việc kết nối tín hiệu van Solenoid với rơ le xuất tín hiệu của cánh tay robot cấp phôi (Robot Loader) hoặc điều khiển qua bộ PLC trung tâm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế kỹ thuật máy ép thủy lực tải trọng 70 tấn phục vụ cho nhà máy cơ khí Z751" của sinh viên Lê Thanh Tùng đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu thiết kế đề ra. Đồ án không chỉ cung cấp một hệ thống tính toán cơ khí - thủy lực chặt chẽ dựa trên lý thuyết sức bền và cơ học chất lỏng thực nghiệm, mà còn mang tính ứng dụng thực tiễn cao, trực tiếp giải quyết bài toán thiếu hụt thiết bị dập ép chính xác tại Nhà máy Cơ khí Z751. Kết quả nghiên cứu là minh chứng rõ nét cho năng lực làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo thiết bị cơ khí thủy lực áp lực cao của đội ngũ kỹ sư Việt Nam, góp phần thúc đẩy sự tự chủ trong sản xuất công nghiệp quốc phòng và kinh tế.