CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung Nhằm nâng cao cơ tính của vật liệu ống, người ta dùng nhiều phương pháp uốn khác nhau với mục đích chủ yếu là giảm tối thiểu khối lượng vật liệu nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu về mặt kỹ thuật và đạt độ bền cao [1]. Các nghiên cứu về kết cấu ống mỏng qua quá trình uốn. Quá trình này được thực hiện trên máy uốn vạn năng, máy uốn bán tự động. Có nhiều loại thiết bị uốn nhưng chúng có đặc điểm chung là kết cấu khuôn uốn giống nhau.
[2] Trong quá trình uốn ống được thực hiện theo bốn phương pháp: Uốn ép, uốn quay, uốn ấn và uốn trên máy uốn 3 trục.1 Uốn quay Hình 1.[3] Trang 1 Luận văn thạc sĩ Uốn quay là phương pháp uốn thông dụng nhất và được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp do chi phí dụng cụ thấp. Các bộ phận chính của dụng cụ uốn quay gồm có: Puly uốn 1, Thanh trượt uốn 2, Thanh trượt dọc 3, ống kim loại 4, Thanh đỡ dọc 5.1) Khi gia công, puly 1 quay theo chiều kim đồng hồ, kéo ống quay theo nhờ thanh trượt uốn 2 lắp cố định trên puly. Thanh trượt dọc 3 luôn tỳ vào nữa ngoài của ống gia công. Ống 4 sẽ biến dạng theo bán kính quay của puly 1.
Tuy nhiên, quá trình biến dạng ống sẽ bị thay đổi đường kính bên trong, dẫn đến hiện tượng bị móp ở mặt trên hay nhăn ở mặt dưới. Vì thế, để khắc phục hiện tượng này người ta đặt lõi uốn bên trong ống để vuốt lại đường kính trong của ống, đồng thời sửa vết nhăn tại vị trí uốn cong.2 Uốn ép Phương pháp uốn ép cũng gần giống như phương pháp uốn quay. Các phần chính của uốn ép gồm có: puly uốn, thanh trượt uốn và thanh trượt dọc. Puly uốn Thanh đỡ dọc Thanh trượt uốn Hình 1.
Trước và sau khi uốn ép.[3] Sự khác nhau giữa uốn quay và uốn ép là trong phương pháp uốn quay thì puly uốn và thanh trượt dọc quay, trong khi đó phương pháp uốn ép thì puly uốn được giữ Trang 2 Luận văn thạc sĩ cố định còn thanh trượt uốn quay xung quanh puly uốn. Khi gia công puly uốn đứng yên, thanh trượt dọc giữ chặt chi tiết ống tiếp xúc với puly uốn và thanh trượt uốn di chuyển vòng theo puly uốn.3 Uốn ấn Các phần chính của uốn ấn gồm: 2 thanh trượt uốn và khuôn uốn có thể di chuyển theo phương thẳng đứng nhờ hệ thống thủy lực. Khi gia công, chi tiết ống được giữ chặt trên hai thanh trượt uốn đặt cố định, khi khuôn uốn di chuyển xuống ống bị biến dạng theo bán kính của khuôn uốn. Quá trình biến dạng kéo xảy ra ở mặt trên của ống lớn hơn ở mặt dưới.
Tuy nhiên, quá trình uốn ống bằng các phương pháp khác thì biến dạng ở mặt trên của ống là biến dạng kéo và ở mặt dưới là chịu nén. Trong ba phương pháp uốn quay, uốn ép và uốn ấn thì bán kính uốn, góc uốn phụ thuộc vào khuôn uốn. Sơ đồ của phương pháp uốn ấn 1.4 Uốn trên 3 con lăn Phương pháp uốn này gồm có 3 con lăn với kích thước như nhau được sắp xếp theo dạng hình tháp (Hình 1. Hai con lăn dưới được giữ cố định trên bàn máy và có thể điều chỉnh theo phương ngang, con lăn trên (giữa) có thể quay nhờ động cơ 3 pha và di chuyển theo phương thẳng đứng nhờ hệ thống thủy lực.
Khi gia công, ống kim loại được đặt trên 2 con lăn dưới và con lăn trên chuyển động xuống ép ống nhờ vào một hệ thống thủy lực. Trang 3 Luận văn thạc sĩ Con lăn Ống Hình 1. Sơ đồ của phương pháp uốn trên con lăn [4] 1.2 Những hư hỏng trong quá trình uốn ống Trong quá trình uốn, chi tiết ống chịu sự biến dạng lớn trên bề mặt ống và dẫn đến một vài hiện tượng hư hỏng như chiều dày ống thay đổi sau khi uốn, ống bị nhăn tại vị trí uốn, biến dạng mặt cắt ngang và hiện tượng Springback.1 Chiều dày ống biến đổi Trong quá trình uốn mômen uốn gây ra lực dọc ở mặt dưới và mặt trên, các mặt này chịu ứng suất kéo, ứng suất nén dẫn đến chiều dày ống bị mỏng ở mặt trên (ngoài) và dày lên ở mặt dưới (trong) (Hình 1. Chiều dày ống thay đổi trong quá trình uốn Trang 4 Luận văn thạc sĩ 1.2 Ống bị nhăn Khi uốn những ống có chiều dày thành ống mỏng ứng suất nén sinh ra ở mặt trong (dưới) ống.
Nếu ứng suất này lớn dẫn đến việc phân bố không ổn định ở mặt dưới ống hoặc nhăn ống. Những vết nhăn dạng sóng xuất hiện trên bề mặt ống ở vị trí uốn (Hình 1.6) làm ảnh hưởng đến việc lắp ráp với các chi tiết khác. Hơn nữa, những vết nhăn này làm mất đi tính thẩm mỹ của chi tiết ống uốn. Ống bị nhăn trong quá trình uốn [18] 1.3 Biến dạng mặt cắt ngang Như đã phân tích ở trên, ứng suất kéo sinh ra ở mặt ngoài của ống trong khi đó ứng suất nén sinh ra ở mặt trong của ống, làm cho mặt trong và mặt ngoài của ống có xu hướng di chuyển đến đường trung hòa.
Khi đó mặt ngoài của ống tiến đến mặt phẳng trung hòa để giảm lực căng do kéo dẫn đến mặt cắt ngang của ống không tròn trở thành hình ôvan (Hình 1. Ống bị biến dạng mặt cắt ngang. Trang 5 Luận văn thạc sĩ 1.4 Hiện tượng Springback Sau khi quá trình gia công uốn ống hoàn thành và dỡ tải ra thì Springback xảy ra do tính chất đàn hồi của vật liệu. Đây được gọi là hiện tượng Springback hoặc sự hồi phục đàn hồi của ống.
Trong quá trình uốn ứng suất nội sinh ra trong ống và khi ngừng tải thì ứng suất này không triệt tiêu nhau làm cho mặt trên của ống chịu ứng suất kéo dư và mặt dưới chịu ứng suất nén dư dẫn đến tăng bán kính cong và giảm góc uốn của chi tiết uốn. Hơn nữa, làm cho kích thước hình học của chi tiết không chính xác theo thiết kế gây khó khăn khi lắp ráp với các chi tiết khác. Ống bị springback [22] Như vậy, những trường hợp hư hỏng trên đã được nghiên cứu nhiều cho những ống có đường kính nhỏ và chiều dày thành ống mỏng bằng phương pháp uốn quay, uốn ép và uốn ấn. Tuy nhiên, những nghiên cứu về hiện tượng hư hỏng cho ống có đường kính lớn bằng phương pháp uốn trên con lăn còn hạn chế.
Hơn nữa qua bốn phương pháp trên, thì phương pháp uốn quay và uốn ép nguyên lý làm việc gần giống nhau như có thể uốn được loại ống có chiều dày thành mỏng và bán kính uốn nhỏ. Còn phương pháp uốn ấn có thể uốn ống đạt được bán kính uốn lớn nhưng chiều dài cung thì lại ngắn. Như vậy, trong ba phương pháp này có một vài hạn chế như: ống uốn có bán kính uốn thay đổi thì cần phải thay đổi khuôn uốn; Bán kính uốn và góc uốn nhỏ; chi tiết ống có đường kính nhỏ. Do đó phương pháp uốn trên 3 con lăn được chọn làm mô hình nghiên cứu trong đề tài này.
Vì có những đặc điểm nổi bậc như sau: Trang 6 Luận văn thạc sĩ (1) Trong phương pháp uốn lăn có thể uốn các ống thép những có đường kính khác nhau. (2) Bán kính uốn lớn. (3) Có thể điều chỉnh được bán kính uốn. Quá trình uốn ống bằng phương pháp uốn trên 3 con lăn được minh họa trong hình 1.
Sơ đồ máy uốn 3 trục Hình 1. Quá trình uốn hoàn thành Nhằm thỏa mãn yêu cầu về vật liệu có độ bền cao, các kết cấu uốn ống kim loại thì rất phù hợp để mở rộng khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực xây dựng, nhà xưởng, giải trí và các ngành công nghiệp khác. Giữa các quá trình uốn khác nhau thì phương pháp uốn ống trên máy uốn 3 trục thường được sử dụng nhất trong các lĩnh vực trên như đã trình bày trong (Hình 1. Tuy nhiên, quá trình uốn là quá trình vật lý phi tuyến xảy ra với biến dạng lớn.
Các hiện tượng hư hỏng chính như nhăn, móp, biến dạng chiều dày thành ống, biến dạng mặt cắt ngang mặt cắt và springback… Hiện tại Trang 7 Luận văn thạc sĩ do nhu cầu ứng dụng thực tế đối với các ống uốn có đường kính lớn và bán kính uốn lớn. Hai yếu tố này không đồng bộ thì các hiện tượng hư hỏng trên dễ xuất hiện. Dung sai khác nhau trong các lĩnh vực khác nhau làm cho việc chọn các xấp xỉ các thông số quá trình. Tránh các hư hỏng và thực hiện dự đoán trong quá trình uốn ống, cái cấp thiết là hiểu rõ các tác dụng của ứng xử uốn trong quá trình uốn ống trên máy uốn 3 trục với D/t lớn và R lớn.
[4] Trong đó D là đường kính ngoài của ống kim loại; t là chiều dày của ống; R là bán kính uốn. Có nhiều ảnh hưởng đã được nghiên cứu và báo cáo trong kỹ thuật uốn ống thuần túy như vấn đề biến dạng mặt cắt ngang, biến đổi chiều dày ống, hiện tượng Springback. Brazier [5] đã nghiên cứu sự biến dạng của ống trong quá trình uốn đàn hồi sử dụng lý thuyết năng lượng cực tiểu, sự biến dạng mặt cắt ngang trong quá trình uốn ống của Brazier còn gọi là hiệu ứng Brazier. Corona [6] đưa ra công thức dự đoán biến dạng mặt cắt ngang của ống có thành mỏng trong đoạn uốn và tìm ra áp lực cao hơn để giảm springback của ống trong quá trình uốn nhưng gây ra biến dạng mặt cắt ngang lớn.
Clausen et al. [7] nghiên cứu trên đoạn uốn và tìm biến dạng cục bộ trên mặt cắt ngang được điều chỉnh bởi hình dáng và lực kéo. Các thông số chính dẫn đến springback là hệ số biến cứng và lực kéo. Sử dụng lý thuyết biến dạng dẻo, Tang [8] thiết lập được vài công thức về uốn ống bao gồm phân bố ứng suất/biến dạng, thay đổi chiều dày ống, độ biến dạng mặt cắt ngang và mômen uốn.
Wang and Agarwal [9] dự đoán phá hủy mặt cắt ngang và thay đổi chiều dày của ống trong quá trình uốn với lực dọc trục và áp lực bên trong. Pan and Stelson [10] sử dụng nguyên lý năng lượng để giải quyết biến dạng của mặt cắt ngang và chiều dày thay đổi của uốn dẻo ống. Qua nghiên cứu mục tiêu chính trong uốn thuần túy và biến dạng, đoạn uốn bằng phương pháp giải tích và thực nghiệm, nội dung nghiên cứu sẽ cung cấp cơ bản sự khảo sát phù hợp của uốn ống mỏng điều khiển số.
