Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật thi công xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp, kết cấu bê tông cốt thép giữ vai trò quyết định đến khả năng chịu lực của dầm và cột. Để tăng cường độ bền vững và khả năng liên kết của hệ khung, các thanh thép chịu lực dọc và ngang luôn yêu cầu phải được định vị cố định bằng hệ thống đai thép (đai vuông, đai chữ nhật hoặc các dạng đai đặc thù). Trước đây, công đoạn gia công uốn bẻ đai thép tại các công trường chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp thủ công. Thao tác này đòi hỏi công nhân phải tiêu hao nhiều thể lực, tốc độ thi công chậm, độ chính xác hình học không đồng đều và tiềm ẩn nhiều nguy cơ mất an toàn lao động.

Sự phát triển của công nghiệp hóa và hiện đại hóa ngành cơ khí chế tạo đòi hỏi phải ứng dụng các trang thiết bị tự động nhằm tăng năng suất, hạ giá thành sản phẩm và giải phóng sức lao động thủ công. Trên thị trường thế giới và trong nước đã xuất hiện các dòng máy uốn đai tự động, tuy nhiên phần lớn máy nhập khẩu có giá thành rất cao, kết cấu phức tạp và chưa tối ưu hóa cho các cơ sở sản xuất quy mô vừa hoặc điều kiện thi công linh hoạt. Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, đề tài "Thiết kế mô hình máy uốn đai xây dựng tự động" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán cơ cấu hóa và tự động hóa công đoạn nắn thẳng, uốn góc và cắt đai thép.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm các nội dung chính:

  1. Nghiên cứu nguyên lý làm việc và tính toán thiết kế mô hình máy uốn đai tự động, mô phỏng đầy đủ chu trình làm việc của máy công nghiệp thực tế.
  2. Thiết kế hệ thống cơ khí thực hiện tích hợp 3 chức năng liên hoàn: duỗi nắn thẳng phôi thép từ dạng cuộn, uốn đai khung hình vuông/chữ nhật với kích thước linh hoạt, và cắt đứt phôi sau khi hoàn thành.
  3. Thiết kế hệ thống điều khiển tự động sử dụng vi điều khiển và mạch công suất với nguồn cấp 24V DC.
  4. Đảm bảo máy vận hành chính xác, linh hoạt, đạt năng suất thiết kế và an toàn cho người vận hành.
  5. Xây dựng tập bản vẽ thiết kế cơ khí, sơ đồ mạch điện - điều khiển và tài liệu chỉ dẫn vận hành hoàn chỉnh.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình máy uốn đai xây dựng tự động và quy trình gia công biến dạng dẻo kim loại phôi dây thép/nhôm/dây kẽm tròn đường kính $d = \varnothing 3\text{ mm}$.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát các nguyên lý bẻ đai từ phương pháp thủ công đến các dòng máy tự động, bán tự động; thiết kế mô hình chế tạo sản phẩm đai thép hình vuông kích thước danh nghĩa $100 \times 100\text{ mm}$ ($10 \times 10\text{ cm}$), bán kính góc uốn $r = 10\text{ mm}$, chiều dài phôi khai triển $L = 460\text{ mm}$, vận hành với năng suất thiết kế đạt 3 đai/phút (tương đương 1.440 đai/ca làm việc 8 giờ).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng hệ thống tính toán dựa trên nền tảng cơ học máy, sức bền vật liệu, lý thuyết biến dạng dẻo kim loại và công nghệ gia công kim loại bằng áp lực:

  • Lý thuyết sức bền vật liệu và biến dạng uốn: Ứng dụng thuyết bền ứng suất tiếp ($\tau_{max} \le [\tau]$) để xác định trạng thái ứng suất giới hạn của vật liệu. Khảo sát thanh chịu uốn phẳng với giả thiết tiết diện phẳng trước và sau biến dạng vuông góc với trục thanh, công thức ứng suất pháp $\sigma = \frac{M_x}{J_x} y$ và ứng suất tiếp cực đại trên tiết diện tròn $\tau_{zy.max} = \frac{4 Q_y}{3 F}$.
  • Cơ học tiếp xúc và biến dạng dẻo: Phân tích tương quan hình học giữa con lăn trụ và thanh thép theo lý thuyết Hertz, xác định áp suất tiếp xúc cực đại $p_0 = 0{,}5642 \sqrt{\frac{q E}{1{,}82 R_1}}$ và vị trí điểm nguy hiểm tại độ sâu $z = 0{,}7b$ với ứng suất tương đương $\sigma_{tđ} = 0{,}557 p_0$.
  • Cơ sở biến dạng dẻo và hiện tượng đàn hồi: Giải thích cơ chế trượt của kim loại đa tinh thể qua sự chuyển dịch lệch biên (dislocation); tính toán hiện tượng đàn hồi sau uốn (springback) làm thay đổi góc uốn thực tế; phân tích sự dịch chuyển của đường trung hòa vào phía trong tâm uốn khi tỷ số bán kính uốn trên đường kính thanh $r/d < 5$.
  • Lý thuyết cắt kim loại bằng áp lực: Quá trình cắt phôi qua 3 giai đoạn liên tiếp gồm biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo (dao lún sâu $0{,}2 \div 0{,}5$ chiều dày phôi) và giai đoạn cắt đứt; xác định lực cắt cực đại $P_{max} = \sigma_b \cdot F$ cùng lực kẹp chống xoay phôi $Q = (0{,}3 \div 0{,}4)P$.
  • Tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng: Phân loại và cơ tính thép cacbon thông dụng theo TCVN 1765:1975 (các mác CT31 đến CT61); tiêu chuẩn mác thép dụng cụ gia công nóng/nguội SKD61 theo JIS G4404-1983 làm vật liệu chế tạo dao cắt.
  • Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp phân tích giải tích để tính toán động học, động lực học bộ truyền, lực uốn, lực cắt và kích thước xylanh; phương pháp thực nghiệm chế tạo mô hình thực tế để kiểm chứng khả năng làm việc của hệ thống cơ khí và mạch điều khiển.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống máy uốn đai tự động được cấu trúc thành các cụm chức năng liên hoàn, sử dụng nguồn dẫn động cơ điện kết hợp cơ cấu chấp hành khí nén.

So sánh và lựa chọn phương án cơ cấu uốn

Tác giả đã phân tích 5 phương án kết cấu truyền động để thực hiện thao tác uốn góc:

Phương án Nguyên lý truyền động Ưu điểm Nhược điểm Đánh giá
1. Tay quay con trượt Động cơ truyền qua hộp giảm tốc, biến chuyển động quay thành tịnh tiến Dễ chế tạo, có hành trình khứ hồi tự nhiên Lực uốn không ổn định, nhanh mòn các khớp bản lề Không chọn
2. Thủy lực Bơm dầu cao áp đẩy piston xylanh thủy lực uốn thép Lực ép rất lớn, ổn định, kích thước gọn Chi phí thiết bị quá cao, kết cấu cồng kềnh Không chọn
3. Vít me - đai ốc Động cơ quay vít me dẫn đai ốc mang đầu uốn tịnh tiến Lực lớn, kết cấu nhỏ gọn, giá rẻ Không có chuyển động khứ hồi tự động, trục vít nhanh mòn Không chọn
4. Bánh răng nón Truyền động bánh răng côn làm quay chày uốn quanh cữ Lực uốn lớn, chuyển động êm Khó gia công chế tạo, phải làm thêm cơ cấu đảo chiều phức tạp Không chọn
5. Khí nén Bình khí nén cấp áp lực qua van đảo chiều đẩy piston uốn Tác động nhanh, chính xác, tính tự động hóa cao, vận hành êm Kích thước hệ thống cấp khí tương đối lớn Được chọn

Thông số tính toán và cấu hình thiết bị chính

  • Bộ phận duỗi và cấp phôi:
    • Khung duỗi sử dụng động cơ DC Tsukasa TG-85E, công suất $N = 15\text{ W}$, tốc độ định mức $n = 110\text{ vòng/phút}$, điện áp hoạt động $24\text{V DC}$.
    • Công suất cần thiết tính toán: $N_{ct} = \frac{N}{\eta} = \frac{11{,}5}{0{,}92} = 12{,}5\text{ W}$ (với lực kéo đai $P = 0{,}5\text{ N}$, vận tốc cấp phôi $v = 23\text{ mm/s}$, hiệu suất bộ truyền $\eta = 0{,}92$).
    • Bộ truyền đai thang: Chọn đai thang loại A, tỷ số truyền $u = 1$, đường kính bánh đai dẫn và bị dẫn $d_1 = d_2 = 60\text{ mm}$, chiều dài đai tiêu chuẩn $L = 500\text{ mm}$, khoảng cách trục thực tế $a = 155{,}8\text{ mm}$, góc ôm $\alpha_1 = 180^\circ$, lực tác dụng lên trục $F_r = 102\text{ N}$.
    • Cụm duỗi gồm các con lăn bố trí lệch tâm gắn trên trục quay tròn, triệt tiêu các bậc tự do theo phương $Oy$ và $Oz$, tạo đường xoắn lực giúp phôi thép sau khi nắn chỉ tịnh tiến theo phương $Ox$.
  • Cơ cấu uốn thép:
    • Lực uốn tính toán theo điều kiện bền uốn thanh tròn: $P \ge 225\text{ N}$. Do cơ cấu xylanh đặt nghiêng một góc $30^\circ$ so với phương vuông góc để triệt tiêu biến dạng đàn hồi và đảm bảo góc uốn vuông $90^\circ$, lực tác dụng thực tế yêu cầu $F_a = \frac{P}{\cos 30^\circ} = \frac{225}{\cos 30^\circ} \approx 260\text{ N}$ ($26\text{ kgf}$).
    • Xylanh uốn: Chọn xylanh khí nén đơn TPM TMA L20x150, đường kính nòng $d_{xl} = 20\text{ mm}$, hành trình piston $l_{pt} = 150\text{ mm}$, áp suất làm việc $0{,}1 \div 1{,}0\text{ MPa}$ (chịu áp tối đa $1{,}5\text{ MPa}$). Piston mang đầu bẻ đặt lệch một góc $\alpha = 60^\circ$ so với đường tâm dây thép.
  • Cơ cấu cắt phôi:
    • Lực cắt tính toán: Với tiết diện phôi tròn $F = \pi R^2 = 3{,}14 \times 1{,}5^2 = 7{,}065\text{ mm}^2$ và giới hạn bền kéo $\sigma_b = 250\text{ MPa}$, lực cắt lớn nhất tại thời kỳ cặp dao là $P_{max} = \sigma_b \cdot F = 250 \times 7{,}065 = 1.766\text{ N}$ ($176{,}6\text{ kgf}$).
    • Lực kẹp chống trượt yêu cầu: $Q = (0{,}03 \div 0{,}05) P_{max}$.
    • Xylanh cắt: Chọn xylanh khí nén đôi AirTac TN40-50, đường kính nòng $d_{xl} = 40\text{ mm}$, hành trình piston $l_{pt} = 70\text{ mm}$, áp suất làm việc $0{,}1 \div 0{,}9\text{ MPa}$, vận tốc làm việc $100 \div 500\text{ mm/s}$.
    • Vật liệu dao cắt: Chế tạo bằng thép hợp kim SKD61 (tiêu chuẩn JIS G4404-1983). Thành phần hóa học: $0{,}32 \div 0{,}42%\text{ C}$; $0{,}8 \div 1{,}2%\text{ Si}$; $0{,}5%\text{ Mn}$; $4{,}5 \div 5{,}5%\text{ Cr}$; $1{,}0 \div 1{,}5%\text{ Mo}$; $0{,}8 \div 1{,}2%\text{ V}$. Quy trình nhiệt luyện: Tôi trong môi trường dầu nóng ở nhiệt độ $950 \div 1100^\circ\text{C}$ đạt độ cứng lõi $48 \div 53\text{ HRC}$, sau đó thấm nitơ bề mặt mép cắt đạt độ cứng $62 \div 65\text{ HRC}$.
  • Hệ thống điều khiển và phân phối khí:
    • Van điều khiển hướng: Sử dụng van điện từ đảo chiều AirTac 4V210-08 loại 5 cửa 2 vị trí (5/2), điều khiển bằng cuộn hút điện từ $24\text{V DC}$, công suất tiêu thụ $4{,}8\text{ W}$, kích thước cổng cấp khí ren 1/4" và cổng xả ren 1/8".
    • Kết cấu khung máy: Gia công lắp ghép từ các thanh nhôm định hình kích thước $20 \times 20\text{ mm}$ và $40 \times 20\text{ mm}$ nhằm đảm bảo độ cứng vững, triệt tiêu rung động trong quá trình nắn và cắt phôi.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Đặt vấn đề

Chương này phân tích tính cấp thiết của việc áp dụng cơ khí hóa và tự động hóa trong sản xuất đai thép xây dựng nhằm thay thế phương thức thủ công năng suất thấp. Tác giả xác định mục tiêu nghiên cứu là thiết kế chế tạo mô hình máy uốn đai tự động cho phôi thép $\varnothing 3\text{ mm}$, làm rõ ý nghĩa khoa học trong việc hiện thực hóa kiến thức thiết kế máy và ý nghĩa thực tiễn trong việc giảm giá thành chế tạo máy trong nước. Xác lập phạm vi nghiên cứu tập trung vào sản phẩm đai vuông kích thước $100 \times 100\text{ mm}$.

Chương 2: Tổng quan

Nội dung chương trình bày tổng quan về các mác thép xây dựng theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1765:1975, phân tích chi tiết cơ tính và thành phần hóa học của thép cacbon thường nhóm A (CT31, CT33, CT34, CT38, CT42, CT51, CT61), nhóm B và nhóm C. Đánh giá thực trạng công nghệ máy bẻ đai trên thế giới (các hệ thống thủy lực, servo CNC tích hợp duỗi uốn cắt tự động) và tình hình ứng dụng trong nước (máy bẻ đai TD08, các sản phẩm của Phúc Long, Siêu Việt). Phân tích kích thước hình học và thông số khai triển của đai thép vuông ($d = \varnothing 3\text{ mm}$, $r = 10\text{ mm}$, $l = 100\text{ mm}$, $L = 460\text{ mm}$).

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Trình bày hệ thống lý thuyết phục vụ tính toán thiết kế máy:

  • Định nghĩa nội lực, phân bố ứng suất pháp tuyến và ứng suất tiếp tuyến trong thanh chịu uốn phẳng.
  • Cơ học tiếp xúc theo bài toán Hertz giữa hai vật thể tiếp xúc mặt trụ - mặt phẳng, công thức tính áp suất cực đại và ứng suất tương đương.
  • Bản chất vật lý của biến dạng dẻo: Mạng tinh thể lập phương thể tâm (12 hệ trượt), lập phương diện tâm (12 hệ trượt) và lục giác xếp chặt (3 hệ trượt); phân tích điều kiện ứng suất tiếp gây trượt $T = \frac{P \sin\theta \cos\lambda}{2 F_0} \ge T_{th}$; cơ chế trượt có lệch biên giải thích độ bền thực tế thấp hơn độ bền lý thuyết từ 100 đến 1000 lần.
  • Hiện tượng hồi phục đàn hồi sau khi uốn và quy luật dịch chuyển của đường trung hòa khi $r/d < 5$.
  • Cơ sở tính toán kinh tế chế tạo: Công thức xác định giá thành chế tạo chi tiết máy $S_i = M_i + Z_i + T_i/n_i$, giá thành sản xuất trên một đơn vị sản phẩm $GT$ và hiệu quả kinh tế tuyệt đối $E_T = G_1 - G_2$.
  • Động học và động lực học quá trình cắt thép bằng áp lực lưỡi cắt, phân bố dải biến dạng dẻo và dải đứt, ảnh hưởng của góc nghiêng dao $\varphi = 2^\circ \div 6^\circ$ và lực chặn $Q = (0{,}3 \div 0{,}4)P$.

Chương 4: Phương hướng và các giải pháp

Phân tích yêu cầu kỹ thuật và công nghệ của đề tài. Tiến hành so sánh, đánh giá ưu nhược điểm của 5 phương án kết cấu truyền động uốn thép: Cơ cấu tay quay con trượt, hệ thống thủy lực, cơ cấu vít me - đai ốc, cơ cấu bánh răng nón và cơ cấu chấp hành khí nén. Lựa chọn phương án 5 (sử dụng khí nén) làm giải pháp thiết kế chính nhờ ưu thế tác động nhanh, độ chính xác vị trí cao, vận hành êm và khả năng tự động hóa tối ưu.

Chương 5: Tính toán và lựa chọn thiết bị

Nội dung chương tập trung tính toán các thông số kỹ thuật cốt lõi:

  • Tính công suất động cơ kéo khung duỗi: Công suất có ích $N = 11{,}5\text{ W}$, công suất cần thiết $N_{ct} = 12{,}5\text{ W}$; lựa chọn động cơ DC Tsukasa TG-85E ($15\text{ W}$, $110\text{ vòng/phút}$, $24\text{V}$).
  • Tính toán bộ truyền đai thang loại A: Đường kính $d_1 = d_2 = 60\text{ mm}$, khoảng cách trục $a = 155{,}8\text{ mm}$, chiều dài đai $L = 500\text{ mm}$, lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục $F_r = 102\text{ N}$.
  • Tính toán lực uốn thanh thép $\varnothing 3\text{ mm}$: Lực uốn lý thuyết $P \ge 225\text{ N}$, lực uốn thực tế đặt nghiêng góc $30^\circ$ là $F_a = 260\text{ N}$; lựa chọn xylanh uốn đơn TPM TMA L20x150 (đường kính $20\text{ mm}$, hành trình $150\text{ mm}$).
  • Tính toán lực cắt thép: Lực cắt cực đại $P_{max} = 1.766\text{ N}$ ($176{,}6\text{ kgf}$); lựa chọn xylanh cắt đôi AirTac TN40-50 (đường kính $40\text{ mm}$, hành trình $70\text{ mm}$).
  • Lựa chọn van điều khiển khí nén: Van đảo chiều AirTac 4V210-08 (5 cửa 2 vị trí, $24\text{V DC}$, $4{,}8\text{ W}$).

Chương 6: Thiết kế và thi công

Mô tả chi tiết kết cấu và quy trình chế tạo các cụm máy thực tế:

  • Khung máy: Gia công từ thanh nhôm định hình kích thước $20 \times 20\text{ mm}$ và $40 \times 20\text{ mm}$ đảm bảo độ cứng vững tĩnh và động.
  • Cụm khung duỗi: Kết cấu trục quay gắn hệ con lăn lệch tâm để khử độ cong phôi theo hai phương $Oy$ và $Oz$.
  • Cụm uốn: Xylanh khí nén đặt lệch góc $\alpha = 60^\circ$ so với trục phôi, gắn đầu uốn di động kết hợp cữ chặn cố định để tạo góc uốn $90^\circ$.
  • Cụm dao cắt: Gia công từ thép SKD61, nhiệt luyện tôi dầu $950 \div 1100^\circ\text{C}$ đạt $48 \div 53\text{ HRC}$, thấm nitơ bề mặt đạt $62 \div 65\text{ HRC}$. Thiết kế đồ gá di động gắn với piston và đồ gá cố định (bạc cắt) gắn trên khung máy.
  • Các bộ phận phụ trợ: Giá đỡ cuộn thép, khung dẫn hướng và cụm gá lắp hoàn chỉnh.

Chương 7: Thiết kế hệ thống điều khiển

Thiết kế phần cứng và nguyên lý điều khiển của mô hình:

  • Cấu hình các thiết bị điều khiển, rơ-le trung gian, van điện từ và mạch cấp nguồn $24\text{V DC}$.
  • Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển chính điều khiển chu trình cấp phôi - uốn 4 góc - cắt đứt.
  • Thiết kế mạch điều chỉnh tốc độ động cơ DC kéo phôi để đồng bộ thời gian chu kỳ uốn đai.

Chương 8: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết các kết quả đạt được về mặt thiết kế lý thuyết và chế tạo mô hình thực nghiệm; đưa ra các kiến nghị cải tiến về việc mở rộng công suất uốn cho các cỡ thép lớn hơn và nâng cao độ linh hoạt của hệ thống điều khiển.

Kết quả và đóng góp

Mô hình máy uốn đai xây dựng tự động đã được tính toán, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh với các thông số kỹ thuật thực nghiệm:

Hạng mục / Cụm chi tiết Thông số thiết kế & Thiết bị lựa chọn Kết quả / Khả năng đáp ứng
Sản phẩm gia công Đai thép hình vuông $100 \times 100\text{ mm}$ Uốn chính xác góc $90^\circ$, phôi khai triển $L = 460\text{ mm}$
Vật liệu uốn Dây thép / nhôm / kẽm đường kính $d = \varnothing 3\text{ mm}$ Nắn thẳng và uốn không bị nứt gãy tiết diện
Năng suất làm việc Thiết kế 3 đai/phút ($20\text{ giây/đai}$) Đạt $1.440\text{ đai/ca}$ làm việc ($8\text{ giờ}$)
Động cơ duỗi phôi Động cơ DC Tsukasa TG-85E ($15\text{ W}$, $110\text{ v/p}$, $24\text{V}$) Vận tốc kéo phôi đạt $v = 23\text{ mm/s}$
Bộ truyền đai Đai thang loại A, $u = 1$, $d_1 = d_2 = 60\text{ mm}$, $L = 500\text{ mm}$ Truyền động êm, bảo vệ quá tải bằng trượt đai
Cơ cấu uốn góc Xylanh đơn TPM TMA L20x150 ($d_{xl} = 20\text{ mm}$, $l_{pt} = 150\text{ mm}$) Tạo lực đẩy $F_a = 260\text{ N}$, bẻ góc $90^\circ$ ổn định
Cơ cấu cắt phôi Xylanh đôi AirTac TN40-50 ($d_{xl} = 40\text{ mm}$, $l_{pt} = 70\text{ mm}$) Lực cắt đáp ứng $P_{max} = 1.766\text{ N}$ ($176{,}6\text{ kgf}$)
Dao cắt áp lực Thép SKD61 tôi dầu ($48 \div 53\text{ HRC}$), thấm nitơ ($62 \div 65\text{ HRC}$) Mặt cắt phẳng, không bavia, chịu mài mòn cao
Hệ thống khí nén Van đảo chiều 5/2 AirTac 4V210-08 ($24\text{V DC}$, $4{,}8\text{ W}$) Áp suất hoạt động $0{,}1 \div 1{,}0\text{ MPa}$, đảo chiều chính xác
Kết cấu khung máy Thanh nhôm định hình $20 \times 20\text{ mm}$ và $40 \times 20\text{ mm}$ Khung cứng vững, triệt tiêu rung động, tháo lắp linh hoạt

Đóng góp của đồ án:

  • Hiện thực hóa quy trình tính toán thiết kế máy gia công áp lực quy mô nhỏ, tích hợp đồng bộ 3 nguyên lý: Duỗi xoắn lệch tâm, uốn khí nén bù góc đàn hồi và cắt đột áp lực cao.
  • Đưa ra giải pháp công nghệ chế tạo dao cắt sử dụng mác thép hợp kim SKD61 kết hợp nhiệt luyện tôi dầu và thấm nitơ bề mặt, giúp kéo dài tuổi thọ mép cắt khi làm việc liên tục.
  • Chứng minh tính khả thi của việc nội địa hóa các dòng máy uốn đai kích thước nhỏ phục vụ xây dựng với chi phí chế tạo thấp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận đã nêu rõ các giới hạn của mô hình và định hướng phát triển:

  • Hạn chế: Mô hình nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở việc gia công phôi thép mềm/dây kẽm đường kính nhỏ ($d = \varnothing 3\text{ mm}$) để phục vụ mục đích kiểm chứng nguyên lý hoạt động tại phòng thí nghiệm; chưa trực tiếp gia công được các loại thép xây dựng thông dụng có kích thước lớn hơn như $\varnothing 6\text{ mm}, \varnothing 8\text{ mm}$ hoặc $\varnothing 10\text{ mm}$.
  • Hướng mở rộng:
    1. Nâng cấp kết cấu cơ khí, tăng đường kính nòng xylanh khí nén hoặc chuyển đổi sang hệ thống truyền động thủy lực công suất lớn để có đủ lực uốn và cắt các loại cốt thép xây dựng cường độ cao.
    2. Tích hợp bộ điều khiển lập trình PLC hoặc vi điều khiển nâng cao kết hợp màn hình cảm ứng HMI, cho phép người vận hành cài đặt linh hoạt kích thước đai (chiều dài, chiều rộng) và số lượng đai cần gia công trực tiếp trên giao diện số.
    3. Bổ sung cảm biến quang học hoặc bộ mã hóa vòng quay (encoder) để kiểm soát chính xác chiều dài nắn phôi tự động thay cho cữ chặn cơ khí.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí Chế tạo máy, Kỹ thuật Công nghiệp và Cơ điện tử:

  • Cơ sở lý thuyết và tính toán (Chương 3 & 5): Cung cấp phương pháp tính toán lực uốn, lực cắt đột kim loại, tính toán bộ truyền đai thang và lựa chọn công suất động cơ DC, dung tích xylanh khí nén.
  • Công nghệ vật liệu và nhiệt luyện (Chương 6): Cung cấp quy trình nhiệt luyện mác thép làm khuôn SKD61 (thành phần hóa học, nhiệt độ tôi dầu $950 \div 1100^\circ\text{C}$, thấm nitơ bề mặt) có giá trị ứng dụng cao trong thiết kế dao cắt và chày cối công nghiệp.
  • Giải pháp cơ cấu máy (Chương 4 & 6): Bảng so sánh 5 cơ cấu uốn và giải pháp thiết kế khung duỗi nắn thẳng bằng con lăn lệch tâm là tài liệu trực quan cho các đề tài thiết kế máy tự động hóa sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cơ cấu xylanh uốn lại được bố trí đặt nghiêng một góc lệch so với đường tâm của thanh thép?
Do kim loại sau khi uốn dẻo luôn có hiện tượng đàn hồi ngược trở lại (springback) làm thay đổi kích thước và góc uốn so với biên dạng khuôn. Do đó, xylanh uốn được bố trí chuyển động theo phương lệch một góc $\alpha = 60^\circ$ so với đường tâm phôi (kết hợp góc nghiêng tính toán $30^\circ$) để khi piston đẩy hết hành trình rồi rút về, thanh thép đàn hồi lại vừa đúng góc vuông $90^\circ$.

2. Động cơ DC Tsukasa TG-85E được tính toán lựa chọn dựa trên những thông số kỹ thuật nào?
Động cơ được chọn dựa trên công suất cản của khung duỗi ($N = 11{,}5\text{ W}$, tính từ lực kéo phôi $P = 0{,}5\text{ N}$ và vận tốc cấp phôi $v = 23\text{ mm/s}$) cùng hiệu suất toàn bộ truyền $\eta = 0{,}92$, cho ra công suất cần thiết $N_{ct} = 12{,}5\text{ W}$. Động cơ Tsukasa TG-85E đáp ứng công suất định mức $15\text{ W}$, tốc độ tối đa $110\text{ vòng/phút}$ và sử dụng nguồn điện một chiều $24\text{V DC}$.

3. Vì sao dao cắt thép lại chọn vật liệu SKD61 và phải thực hiện quy trình thấm nitơ bề mặt?
Thép SKD61 (theo JIS G4404-1983) có tính bền nóng và chống mài mòn cao. Thép được tôi trong dầu nóng ở $950 \div 1100^\circ\text{C}$ để đạt độ cứng phần lõi $48 \div 53\text{ HRC}$ nhằm chống nứt vỡ dưới tải trọng va đập lớn ($P_{max} = 1.766\text{ N}$). Sau đó, mép cắt được thấm nitơ để nâng độ cứng bề mặt lên $62 \div 65\text{ HRC}$, giúp chống mài mòn mép dao trong quá trình cắt trượt liên tục.

4. Nguyên lý nắn thẳng phôi thép từ dạng cuộn của cụm khung duỗi hoạt động như thế nào?
Cụm duỗi sử dụng các con lăn đặt lệch tâm nhau gắn trên trục quay tròn của khung duỗi. Chuyển động xoay của khung kết hợp với vị trí lệch tâm của các con lăn tạo thành một đường xoắn lực tác dụng quanh tiết diện phôi thép, khống chế hoàn toàn hai bậc tự do cong vênh theo phương $Oy$ và $Oz$, giúp phôi sau khi qua bộ duỗi đạt độ thẳng và chỉ tịnh tiến dọc theo phương $Ox$.

5. Lực cắt cực đại $P_{max} = 1.766\text{ N}$ được xác định vào thời điểm nào trong chu trình cắt?
Lực cắt cực đại $P_{max}$ xuất hiện ở thời điểm cuối của thời kỳ cặp dao (khi lưỡi dao ăn sâu vào phôi từ $0{,}2 \div 0{,}5$ chiều dày và làm ứng suất cắt đạt giá trị giới hạn bền $\sigma_b = 250\text{ MPa}$) và ngay đầu thời kỳ cắt, trước khi phôi chuyển sang giai đoạn nứt rạn tế vi và tự đứt hoàn toàn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình máy uốn đai xây dựng tự động cho phôi thép $\varnothing 3\text{ mm}$, đáp ứng đầy đủ chu trình làm việc liên hoàn gồm duỗi thẳng, uốn đai vuông $100 \times 100\text{ mm}$ và cắt đứt phôi tự động với năng suất đạt 3 đai/phút ($1.440\text{ đai/ca}$). Hệ thống là sự kết hợp đồng bộ giữa cơ cấu nắn thẳng con lăn lệch tâm dẫn động bằng động cơ DC $15\text{ W}$, cơ cấu bẻ góc và cắt phôi bằng hệ thống xylanh khí nén điều khiển qua van điện từ 5/2 trên nguồn điện $24\text{V DC}$. Toàn bộ các thông số động lực học, độ bền uốn, lực cắt và độ cứng dao cắt bằng thép SKD61 đã được tính toán giải tích chi tiết và kiểm chứng hoạt động ổn định trên mô hình thực nghiệm, tạo tiền đề vững chắc cho việc phát triển các dòng máy bẻ đai công nghiệp công suất lớn phục vụ ngành xây dựng.