Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển hệ thống vũ khí phòng thủ tầm gần (CIWS) nhằm ngăn chặn hiệu quả các mối đe dọa từ tên lửa diệt hạm và máy bay, đạn pháo 30mm trang bị trên pháo AK-630 của Hải quân giữ vai trò quan trọng như lá chắn phòng thủ cuối cùng trên chiến hạm. Loại đạn này có hiệu quả chiến đấu cao trong điều kiện tác chiến trên biển, tuy nhiên hiện nay Việt Nam vẫn phải nhập khẩu với chi phí lớn. Công nghiệp quốc phòng trong nước có đủ điều kiện để nghiên cứu và chế tạo loại đạn này, đặc biệt là ống liều kích thước Ф40×170mm làm từ thép S10C, thành phần quan trọng trong cấu tạo vỏ liều đạn pháo 30mm.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào cải thiện chất lượng ống liều Ф40×170mm bằng phương pháp dập nguội kết hợp mô phỏng và thực nghiệm nhằm giảm tỷ lệ hỏng, nâng cao độ chính xác và cơ tính sản phẩm. Phạm vi nghiên cứu bao gồm công nghệ dập vuốt biến mỏng thành, xử lý nhiệt, và ứng dụng phần mềm mô phỏng Deform để phân tích ứng suất biến dạng trong quá trình dập. Nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện sản xuất tại Nhà máy Z113 thuộc Tổng cục Công nghiệp quốc phòng, với thời gian thực hiện đến năm 2023.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện rõ qua việc làm chủ công nghệ chế tạo vỏ liều đạn 30mm, giảm chi phí nhập khẩu, đồng thời nâng cao năng lực sản xuất trong nước. Kết quả nghiên cứu góp phần đào tạo đội ngũ kỹ thuật viên, tăng cường nội lực quốc phòng và đảm bảo nguồn cung đạn dược phục vụ huấn luyện và sẵn sàng chiến đấu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình công nghệ dập vuốt, bao gồm:

  • Công nghệ dập vuốt: Là nguyên công dập biến vật liệu dạng tấm hoặc bánh tròn thành chi tiết rỗng có thành mỏng, được phân loại theo đặc điểm biến dạng kim loại thành dập vuốt có biến mỏng thành và không biến mỏng thành. Dập vuốt có chặn phôi và không chặn phôi được áp dụng tùy theo tính chất vật liệu và hình dạng sản phẩm.

  • Phương pháp cân bằng thể tích và cân bằng khối lượng: Dùng để tính toán kích thước phôi ban đầu phù hợp với sản phẩm cuối cùng, đảm bảo lượng vật liệu đủ cho quá trình dập vuốt mà không gây thiếu hụt hay dư thừa.

  • Lý thuyết ứng suất và biến dạng: Phân tích trạng thái ứng suất kéo, nén tại các vùng khác nhau của sản phẩm dập vuốt, đặc biệt tại các điểm nguy hiểm như góc lượn đáy, nơi có thể xảy ra biến dạng mỏng thành hoặc nứt gãy.

  • Mô hình xử lý nhiệt: Ủ mềm nhằm khôi phục tính dẻo của vật liệu sau các lần dập, giảm biến cứng và tăng độ bền sản phẩm.

  • Phần mềm mô phỏng Deform: Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng quá trình dập vuốt, tính toán lực dập, phân bố ứng suất, biến dạng và dự báo vị trí dễ hỏng nhằm tối ưu hóa công nghệ chế tạo.

Các khái niệm chính bao gồm: lực dập vuốt, hệ số dập vuốt, khe hở giữa chày và cối, bán kính lượn khuôn, chất lượng bôi trơn, và chế độ xử lý nhiệt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ thực nghiệm tại Nhà máy Z113, kết hợp với số liệu kiểm tra cơ tính vật liệu thép S10C và các kết quả mô phỏng trên phần mềm Deform 3D. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các sản phẩm ống liều Ф40×170mm được chế tạo theo quy trình dập nguội, với các lần dập vuốt từ 1 đến 3 lần.

Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu ngẫu nhiên các sản phẩm trong dây chuyền sản xuất để kiểm tra kích thước, cơ tính và kiểm tra khuyết tật bằng phương pháp X-Ray. Phân tích dữ liệu sử dụng phương pháp so sánh số liệu thực nghiệm với kết quả mô phỏng, đánh giá tỷ lệ hỏng và sai số kích thước.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2021 đến 2023, bao gồm các giai đoạn: khảo sát tài liệu, thiết kế công nghệ, mô phỏng, chế tạo dụng cụ, thực nghiệm sản xuất, kiểm tra và hoàn thiện công nghệ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm tỷ lệ hỏng sản phẩm: Qua việc thiết kế lại dụng cụ dập vuốt và điều chỉnh biên dạng khuôn, tỷ lệ hỏng do nứt phần lòng trong đáy sản phẩm giảm từ khoảng 15% xuống còn dưới 5%, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất.

  2. Độ chính xác kích thước: Sản phẩm ống liều đạt cấp chính xác 5-6 theo tiêu chuẩn kỹ thuật, với sai số đường kính trong nằm trong khoảng ±0,25 mm và sai số chiều cao dưới 0,4 mm, phù hợp với yêu cầu thiết kế.

  3. Cơ tính vật liệu: Độ bền kéo của sản phẩm sau dập và xử lý nhiệt đạt từ 560 đến 950 N/mm², độ dãn dài tương đối từ 5% đến 10%, đảm bảo tính chịu lực và độ bền cần thiết cho vỏ liều đạn pháo.

  4. Mô phỏng ứng suất và lực dập: Kết quả mô phỏng trên Deform cho thấy lực dập vuốt lần 1 khoảng 1200 kG lực, lần 2 và 3 giảm dần do biến dạng vật liệu, đồng thời xác định được các điểm ứng suất cao tại góc lượn đáy, giúp điều chỉnh thiết kế khuôn để giảm nguy cơ nứt gãy.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của tỷ lệ hỏng cao ban đầu là do thiết kế dụng cụ chưa tối ưu, đặc biệt là biên dạng khuôn và khe hở giữa chày và cối chưa phù hợp, dẫn đến ứng suất tập trung và biến dạng không đều. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng Deform giúp dự báo chính xác các vùng ứng suất cao, từ đó điều chỉnh thiết kế khuôn, giảm lực dập và tăng tuổi thọ dụng cụ.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành gia công áp lực, kết quả đạt được tương đương hoặc vượt trội về độ chính xác và tỷ lệ hỏng, chứng tỏ hiệu quả của việc kết hợp mô phỏng và thực nghiệm trong cải tiến công nghệ dập vuốt.

Ý nghĩa của kết quả thể hiện rõ trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất và tăng năng suất, đồng thời góp phần làm chủ công nghệ chế tạo vỏ liều đạn pháo 30mm trong nước.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lực dập theo từng lần dập vuốt, bảng so sánh tỷ lệ hỏng trước và sau cải tiến, cũng như biểu đồ phân bố ứng suất trên sản phẩm mô phỏng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế dụng cụ dập vuốt: Điều chỉnh biên dạng khuôn và khe hở giữa chày và cối theo kết quả mô phỏng để giảm ứng suất tập trung, giảm tỷ lệ hỏng sản phẩm xuống dưới 3% trong vòng 6 tháng tới. Chủ thể thực hiện: Bộ phận thiết kế công nghệ Nhà máy Z113.

  2. Áp dụng quy trình xử lý nhiệt chuẩn hóa: Thực hiện ủ mềm sau mỗi lần dập để khôi phục tính dẻo vật liệu, giảm biến cứng và tăng độ bền sản phẩm, đảm bảo độ bền kéo đạt trên 600 N/mm². Thời gian áp dụng: ngay trong năm sản xuất tiếp theo. Chủ thể: Phòng kỹ thuật xử lý nhiệt.

  3. Mở rộng ứng dụng phần mềm mô phỏng Deform: Đào tạo kỹ sư vận hành phần mềm để mô phỏng các sản phẩm tương tự, rút ngắn thời gian thiết kế và thử nghiệm dụng cụ, giảm chi phí phát triển sản phẩm mới. Thời gian: 12 tháng. Chủ thể: Ban quản lý dự án và phòng R&D.

  4. Kiểm soát chất lượng nguyên liệu thép S10C: Thiết lập quy trình kiểm tra nghiêm ngặt thành phần hóa học và cơ tính vật liệu đầu vào nhằm đảm bảo tính đồng nhất, giảm sai số sản phẩm. Thời gian: liên tục trong quá trình sản xuất. Chủ thể: Phòng kiểm tra chất lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ chế tạo máy: Nắm bắt quy trình dập vuốt, thiết kế dụng cụ và xử lý nhiệt để áp dụng trong sản xuất chi tiết cơ khí có thành mỏng.

  2. Nhà quản lý sản xuất trong ngành công nghiệp quốc phòng: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm đạn dược, từ đó điều phối nguồn lực và nâng cao hiệu quả sản xuất.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Tài liệu tham khảo thực tiễn về ứng dụng công nghệ dập nguội, mô phỏng FEM và xử lý nhiệt trong chế tạo chi tiết.

  4. Chuyên gia phát triển phần mềm mô phỏng gia công: Tham khảo cách ứng dụng phần mềm Deform trong mô phỏng quá trình dập vuốt, từ đó cải tiến thuật toán và giao diện người dùng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn thép S10C làm vật liệu chế tạo ống liều?
    Thép S10C có thành phần cacbon khoảng 0,1%, phù hợp cho dập sâu nhờ tính dẻo và độ bền kéo cao (560-950 N/mm²), đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của vỏ liều đạn pháo 30mm.

  2. Phần mềm Deform giúp gì trong quá trình nghiên cứu?
    Deform mô phỏng ứng suất, biến dạng và lực dập trong quá trình dập vuốt, giúp dự báo điểm dễ hỏng, tối ưu thiết kế dụng cụ và giảm tỷ lệ hỏng sản phẩm thực tế.

  3. Làm thế nào để giảm tỷ lệ hỏng sản phẩm trong dập vuốt?
    Bằng cách thiết kế lại dụng cụ, điều chỉnh khe hở chày-cối, sử dụng bôi trơn phù hợp và áp dụng xử lý nhiệt ủ mềm sau mỗi lần dập để giảm ứng suất tập trung và biến dạng không đều.

  4. Độ chính xác kích thước sản phẩm đạt được là bao nhiêu?
    Sản phẩm đạt cấp chính xác 5-6 với sai số đường kính trong ±0,25 mm và sai số chiều cao dưới 0,4 mm, phù hợp tiêu chuẩn kỹ thuật của vỏ liều đạn.

  5. Có thể áp dụng công nghệ này cho sản phẩm khác không?
    Công nghệ dập nguội và mô phỏng áp dụng cho các sản phẩm có hình dạng tương tự như ống liều, đặc biệt trong ngành công nghiệp quốc phòng và chế tạo chi tiết cơ khí có thành mỏng.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã thành công trong việc cải tiến công nghệ dập vuốt ống liều Ф40×170mm từ thép S10C, giảm tỷ lệ hỏng sản phẩm từ khoảng 15% xuống dưới 5%.
  • Kết hợp mô phỏng Deform và thực nghiệm giúp tối ưu thiết kế dụng cụ, giảm lực dập và nâng cao độ chính xác sản phẩm.
  • Sản phẩm đạt các chỉ tiêu cơ tính và kích thước theo tiêu chuẩn kỹ thuật, đảm bảo yêu cầu sử dụng trong đạn pháo Hải quân 30mm.
  • Đề xuất các giải pháp cụ thể về thiết kế dụng cụ, xử lý nhiệt, kiểm soát nguyên liệu và đào tạo nhân lực để nâng cao hiệu quả sản xuất.
  • Tiếp tục mở rộng ứng dụng công nghệ và mô phỏng cho các sản phẩm tương tự, góp phần làm chủ công nghệ chế tạo trong nước, giảm chi phí nhập khẩu và tăng cường năng lực quốc phòng.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng các đề xuất cải tiến trong dây chuyền sản xuất tại Nhà máy Z113, đồng thời đào tạo nhân lực vận hành phần mềm mô phỏng để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Các đơn vị liên quan được khuyến nghị phối hợp chặt chẽ để đảm bảo thành công của dự án.