Nghiên Cứu Chế Tạo Thiết Bị Gia Nhiệt Cảm Ứng Điện Từ Ứng Dụng Trong Gia Công Tạo Hình Thép Tấm SS400

Thông tin đề tài: Báo cáo tổng kết đề tài NCKH trọng điểm cấp trường (Năm học 2021 - 2022)
Mã số đề tài: ĐT.02
Chủ nhiệm đề tài: TS. Vương Gia Hải
Thành viên tham gia: ThS. Lê Thị Lan, ThS. Đinh Văn Hiển
Cơ quan chủ trì: Khoa Điện - Cơ, Trường Đại học Hải Phòng

Tóm tắt nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: Làm thế nào để kiểm soát chính xác nhiệt độ và triệt tiêu hiện tượng đàn hồi lại (springback) cũng như giảm tải trọng lực khi uốn tạo hình kim loại tấm dày? Trong gia công cơ khí truyền thống, việc uốn thép tấm dày thường gặp khó khăn do lực tạo hình lớn và độ sai lệch góc uốn cao sau khi dỡ tải.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm tác giả đã thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một hệ thống gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ cao tần (tần số hoạt động $84\text{ kHz}$, công suất $4\text{ kW}$) tích hợp bộ điều khiển nhiệt độ tự động Autonics TZN4L và buồng bảo ôn sợi thủy tinh. Thực nghiệm được triển khai trên máy kéo nén đa năng HUNGTA H-200A với đối tượng nghiên cứu là thép tấm cán nóng SS400 dày $5\text{ mm}$ ở ba mức nhiệt độ: nhiệt độ phòng ($\sim 32^\circ\text{C}$), $300^\circ\text{C}$ (ngưỡng biến dạng nguội) và $600^\circ\text{C}$ (vùng biến dạng nửa nóng).

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm chứng minh rằng: khi nhiệt độ gia nhiệt tăng lên $600^\circ\text{C}$, giới hạn chảy của thép SS400 giảm hơn 4 lần so với nhiệt độ phòng, kéo theo sự suy giảm rõ rệt của lực uốn tạo hình $P$ và góc đàn hồi sau biến dạng ($SP$). Nghiên cứu mang lại giải pháp công nghệ có tính ứng dụng thực tiễn cao cho ngành cơ khí đóng tàu, chế tạo kết cấu thép tại Hải Phòng, đồng thời cung cấp bộ học liệu - thiết bị thí nghiệm trực quan phục vụ đào tạo kỹ thuật.

Bối cảnh và tầm quan trọng

Hiện trạng công nghệ và khoảng trống nghiên cứu

Thép tấm SS400 là vật liệu kết cấu xương sống trong ngành công nghiệp nặng, đặc biệt là chế tạo phương tiện giao thông đường thủy, bồn bể áp lực và kết cấu giàn khoan. Tại trung tâm công nghiệp cảng biển Hải Phòng – nơi tập trung các nhà máy đóng tàu lớn như Bạch Đằng, Phà Rừng, Nam Triệu, Sông Cấm – nhu cầu gia công uốn định hình các tấm thép có độ dày từ vài milimét đến hàng chục milimét là rất lớn.

Tuy nhiên, quá trình uốn nguội thép tấm dày thường xuất hiện hai trở ngại kỹ thuật lớn:

  1. Lực tạo hình yêu cầu rất cao, đòi hỏi thiết bị ép công suất lớn và làm giảm tuổi thọ chày cối.
  2. Hiện tượng hồi đàn cơ học (springback) sau khi dỡ tải làm sai lệch biên dạng hình học của chi tiết so với thiết kế khuôn.

Để khắc phục, phương pháp gia nhiệt cục bộ bằng ngọn lửa Oxy - Axetylen hoặc lò nung thủ công thường được áp dụng trong thực tế xưởng. Dù vậy, các phương pháp này tồn tại nhược điểm nghiêm trọng: không kiểm soát được trường nhiệt độ, nhiệt tản nhanh ra môi trường và thân khuôn, dẫn đến cơ tính vật liệu không đồng đều và gây biến cứng bề mặt cục bộ. Trên thế giới, các nghiên cứu gia nhiệt bằng laser (LAM) hay plasma (PEM) có chi phí đầu tư rất lớn, trong khi các công bố về gia nhiệt cảm ứng điện từ (IAM) chủ yếu tập trung vào tấm mỏng ($< 2\text{ mm}$) hoặc hợp kim đặc biệt (Titan, Magie AZ31, Nhôm AA5754).

Tính cấp thiết và giá trị thực tiễn

Việc nghiên cứu, chế tạo một hệ thống gia nhiệt bằng cảm ứng điện từ khép kín, tự động duy trì điều kiện đẳng nhiệt khi uốn thép kết cấu SS400 độ dày $5\text{ mm}$ là bước đi cấp thiết. Giải pháp này giúp các doanh nghiệp vừa và nhỏ tối ưu hóa quy trình uốn, hạ giá thành đầu tư thiết bị, nâng cao độ chính xác gia công và hiện đại hóa học cụ đào tạo chuyên ngành Cơ khí - Cơ điện tử.

Methodology và approach

Thiết kế nghiên cứu và quy trình thực nghiệm

Nghiên cứu tích hợp phương pháp phân tích cơ học biến dạng dẻo với kiểm chứng thực nghiệm đo lường trực tiếp, bao gồm hai giai đoạn: thử nghiệm kéo tĩnh xác định cơ tính và thử nghiệm uốn tạo hình chữ V có kiểm soát nhiệt độ.

+-------------------------------------------------------------+
|               THIẾT KẾ & TÍCH HỢP HỆ THỐNG                  |
|  Máy HUNGTA H-200A + Nguồn cao tần 84kHz + Autonics TZN4L   |
+------------------------------+------------------------------+
                               |
                               v
+-------------------------------------------------------------+
|                GIAI ĐOẠN 1: THỬ NGHIỆM KÉO                  |
|   Mẫu chuẩn TCVN 197-85 (SS400, S=5mm) theo phương cán     |
|   Đo giới hạn chảy (Y), mô-đun đàn hồi (E) tại:            |
|   * Nhiệt độ phòng (~32°C)  * 300°C  * 600°C                |
+------------------------------+------------------------------+
                               |
                               v
+-------------------------------------------------------------+
|                GIAI ĐOẠN 2: THỬ NGHIỆM UỐN V                |
|   Phôi 110x35x5 mm (Biến dạng phẳng b >> 3S)               |
|   Chày uốn SKD Rch = 15mm, Hành trình H = 16mm              |
|   Gia nhiệt cảm ứng + Bảo ôn sợi thủy tinh                  |
+------------------------------+------------------------------+
                               |
                               v
+-------------------------------------------------------------+
|                  PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ                      |
|   - Xác định lực uốn tạo hình cực đại (P)                   |
|   - Đo góc đàn hồi sau biến dạng (Springback - SP)          |
+-------------------------------------------------------------+

Hệ thống thiết bị và chế tạo

  1. Module gia nhiệt cảm ứng điện từ (IAM): Mạch dao động cao tần công suất $4\text{ kW}$, điện áp vào $220\text{ V}$, tần số phát dòng $84\text{ kHz}$. Cuộn cảm ứng được chế tạo từ ống đồng làm mát bằng nước tuần hoàn, uốn dạng xoắn ốc bao quanh vùng làm việc của chày, cối và phôi.
  2. Hệ thống kiểm soát nhiệt độ tự động: Sử dụng bộ điều khiển PID Autonics TZN4L nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ (Thermocouple) đặt sát bề mặt nung phôi, thực hiện đóng/ngắt mạch nung qua rơ-le để giữ nhiệt độ dao động trong phạm vi $\pm 2%$. Hộp bảo ôn bằng bông sợi thủy tinh bọc quanh cụm khuôn để hạn chế tối đa bức xạ và truyền nhiệt ra ngoài.
  3. Khuôn uốn chữ V: Chày và cối chế tạo từ thép hợp kim làm khuôn SKD, gia công đạt độ chính xác $0{,}01\text{ mm}$ trên máy phay CNC MCB-850 và máy cắt dây CNC GS-450B. Thông số hình học cố định: Bán kính đỉnh chày $R_{ch} = 15\text{ mm}$, hành trình dập $H = 16\text{ mm}$.
  4. Vật liệu và mẫu thử: Thép tấm cán nóng SS400 dày $S = 5\text{ mm}$ (thành phần $C \le 0{,}25%$, $Si \le 0{,}35%$, $Mn \le 1{,}4%$). Mẫu thử uốn kích thước $110 \times 35 \times 5\text{ mm}$ (tỷ lệ $b/S = 7 \gg 3$, đảm bảo trạng thái biến dạng phẳng).

Phát hiện chính

Các phát hiện thực nghiệm mang lại nhiều kết luận khoa học quan trọng về ứng xử cơ học của thép SS400 khi gia công uốn có gia nhiệt cảm ứng điện từ:

1. Sự suy giảm phi tuyến của giới hạn chảy theo nhiệt độ

Kết quả thử kéo tĩnh cho thấy sự thay đổi rõ nét của giới hạn chảy ($Y$) và mô-đun đàn hồi ($E$) khi chuyển từ nhiệt độ phòng sang vùng nhiệt biến dạng nửa nóng:

Mức nhiệt độ ($^\circ\text{C}$) Trạng thái biến dạng Giới hạn chảy $Y$ (MPa) Xu hướng biến đổi
Nhiệt độ phòng ($\sim 32^\circ\text{C}$) Biến dạng nguội $\sim 350 - 400$ Đường ứng suất - biến dạng tuyến tính đàn hồi rõ rệt
$300^\circ\text{C}$ Ngưỡng chuyển tiếp Giảm $\approx 25 - 30%$ Bắt đầu xuất hiện hiện tượng mềm hóa nhiệt
$600^\circ\text{C}$ Biến dạng nửa nóng Giảm > 4 lần (so với $32^\circ\text{C}$) Kim loại bị dẻo hóa mạnh, mô-đun $E$ biểu hiện phi tuyến

Nhiệt độ $600^\circ\text{C}$ được chứng minh là ngưỡng tối ưu vì nằm dưới điểm chuyển pha Curie và nhiệt độ tới hạn $A_1$ ($727^\circ\text{C}$), giúp kim loại mềm hóa dẻo mà không làm thay đổi pha hay hạt tinh thể tế vi sau khi làm nguội.

2. Giảm đáng kể lực uốn tạo hình ($P$)

Nhờ giới hạn chảy giảm sâu, lực cản biến dạng dẻo của tấm thép giảm tương ứng. Lực uốn tạo hình cực đại $P$ trên máy dập tại $600^\circ\text{C}$ giảm hơn $50%$ so với khi uốn ở nhiệt độ phòng. Điều này cho phép gia công các tấm phôi dày trên các thiết bị ép có tải trọng danh định nhỏ hơn nhiều lần.

3. Triệt tiêu hiện tượng đàn hồi lại sau biến dạng (Springback)

Góc đàn hồi $SP$ đo sau khi rút tải chày uốn ghi nhận mức giảm vượt bậc:

  • Ở nhiệt độ phòng, ứng suất dư ngược chiều phân bố phức tạp giữa thớ kim loại kéo và nén khiến góc mở rộng đáng kể sau khi rời khuôn.
  • Ở $300^\circ\text{C}$, góc hồi đàn bắt đầu co hẹp do một phần biến dạng đàn hồi chuyển thành biến dạng dẻo.
  • Ở $600^\circ\text{C}$, góc hồi đàn $SP$ tiến sát về $0^\circ$, biên dạng đáy chữ V ôm sát bán kính chày $R_{ch} = 15\text{ mm}$, đảm bảo độ chính xác kích thước hình học gần như tuyệt đối.

4. Hiệu quả kiểm soát nhiệt của cuộn cảm ứng và vỏ bảo ôn

Hệ thống nung cảm ứng điện từ kết hợp lớp bảo ôn sợi thủy tinh triệt tiêu được hiện tượng sụt giảm nhiệt độ khi tiếp xúc với khuôn nguội. Quá trình nung diễn ra tức thời từ trong lòng vật liệu phôi nhờ dòng Foucault, loại bỏ hiện tượng oxy hóa xỉ bề mặt thường thấy ở đèn khò khí đốt.

Đóng góp khoa học

Đóng góp về mặt lý thuyết

  • Bổ sung bộ dữ liệu thực nghiệm về mối quan hệ Ứng suất – Biến dạng – Nhiệt độ của thép kết cấu cán nóng SS400 dày $5\text{ mm}$ tại các dải nhiệt độ $32^\circ\text{C}$, $300^\circ\text{C}$ và $600^\circ\text{C}$.
  • Làm sáng tỏ cơ chế giảm đàn hồi (springback reduction) khi uốn tấm dày trong điều kiện biến dạng nửa nóng đẳng nhiệt.

Đổi mới về phương pháp luận và công nghệ

  • Đề xuất cấu hình cuộn dây cảm ứng xoắn ốc hình chữ nhật tối ưu cho trường biến dạng phẳng, phân bố mật độ từ thông tập trung cao nhất tại vùng uốn cong cục bộ.
  • Xây dựng thành công vòng điều khiển nhiệt độ kín (Closed-loop PID Temperature Control) ngay trên cụm gá ép dập, khắc phục nhược điểm tản nhiệt mất kiểm soát của các quy trình nung ngoài truyền thống.

Giá trị ứng dụng thực tiễn

  • Thiết kế hoàn chỉnh thiết bị gia nhiệt nhỏ gọn, chi phí chế tạo thấp, dễ vận hành tại các xưởng gia công kết cấu cơ khí vừa và nhỏ.
  • Cung cấp sản phẩm khoa học chuyển giao trực tiếp cho Khoa Điện - Cơ, Trường Đại học Hải Phòng, làm thiết bị thí nghiệm và học cụ trực quan phục vụ đào tạo các học phần: Công nghệ tạo hình kim loại, Công nghệ chế tạo máy, Cơ điện tử.
  • Công bố 03 công trình khoa học uy tín, bao gồm bài báo trên tuyển tập kỷ yếu quốc tế Springer (Hội nghị MMMS2) và các tạp chí chuyên ngành trong nước.

Đối tượng quan tâm

+------------------------------------------------------------------------+
|                      ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI CHÍNH                        |
+-----------------------------------+------------------------------------+
|  GIỚI HỌC THUẬT & NGHIÊN CỨU       |  DOANH NGHIỆP & KỸ SƯ CƠ KHÍ       |
|  - Giảng viên, NCS ngành Cơ khí   |  - Xưởng đóng tàu, bồn bể áp lực   |
|  - Chuyên gia mô phỏng FEM/Abaqus |  - Kỹ sư khuôn dập & kết cấu thép  |
|  -> Cung cấp số liệu cơ tính      |  -> Tiết kiệm lực, giảm sai số uốn |
+-----------------------------------+------------------------------------+
|               CƠ SỞ ĐÀO TẠO & QUẢN LÝ CÔNG NGHỆ                        |
|               - Trường Đại học, Cao đẳng Kỹ thuật                      |
|               - Đơn vị tiêu chuẩn hóa quy trình chế tạo                |
|               -> Thiết bị thí nghiệm trực quan, tự động hóa            |
+------------------------------------------------------------------------+
  1. Nhà nghiên cứu học thuật và mô phỏng số: Khai thác đường cong ứng suất - biến dạng thực nghiệm để hiệu chỉnh các mô hình vật liệu biến cứng (Johnson-Cook, Lemaitre) trong mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) bằng ABAQUS, ANSYS, DEFORM-3D.
  2. Kỹ sư công nghệ chế tạo máy và đóng tàu: Ứng dụng quy trình uốn có gia nhiệt cảm ứng để giảm kích cỡ máy ép, loại bỏ công đoạn nắn nguội sửa sai lệch sau uốn, nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt chi tiết.
  3. Cơ sở giáo dục đại học và dạy nghề: Sử dụng hệ thống thiết bị thực nghiệm làm mô hình giảng dạy tích hợp đa ngành (Cơ khí - Gia nhiệt cảm ứng - Tự động hóa điều khiển).

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Phát hiện quan trọng nhất của nghiên cứu này là gì?

Phát hiện nổi bật nhất là việc xác định ngưỡng nhiệt độ $600^\circ\text{C}$ giúp giới hạn chảy của thép tấm SS400 giảm hơn 4 lần, qua đó triệt tiêu gần như hoàn toàn hiện tượng đàn hồi lại ($SP \approx 0^\circ$) và giảm hơn $50%$ lực uốn tạo hình mà không làm biến đổi cấu trúc hạt tế vi của kim loại (do dưới ngưỡng $727^\circ\text{C}$).

2. Phương pháp gia nhiệt cảm ứng trong đề tài có gì vượt trội so với gia nhiệt bằng đèn khò hoặc lò nung?

Gia nhiệt cảm ứng điện từ sinh nhiệt trực tiếp bên trong lòng phôi thông qua dòng Foucault, kết hợp cảm biến nhiệt PID Autonics TZN4L và buồng bảo ôn giúp duy trì nhiệt độ ổn định trong suốt quá trình uốn. Phương pháp này loại bỏ sai lệch nhiệt do môi trường, không tạo ngọn lửa hở, giảm thiểu oxy hóa xỉ bề mặt và đảm bảo an toàn lao động.

3. Kết quả nghiên cứu có thể tổng quát hóa (generalize) cho các loại vật liệu khác không?

Có thể. Nguyên lý thiết kế mạch nung cao tần, giải thuật điều khiển nhiệt độ và quy luật suy giảm đàn hồi ở vùng biến dạng nửa nóng hoàn toàn có thể áp dụng cho các mác thép kết cấu khác (như C45, Q235, Q345) hoặc các hợp kim nhôm, titan, với điều kiện điều chỉnh tần số phát dòng và dải nhiệt độ tương ứng với nhiệt độ chuyển pha của vật liệu đó.

4. Những bước tiếp theo cần triển khai cho hướng nghiên cứu này là gì?

Nhóm nghiên cứu hướng tới:

  • Mở rộng thực nghiệm trên các chiều dày lớn hơn ($S > 10\text{ mm}$) và các biên dạng uốn phức tạp (uốn chữ U, uốn nhiều góc cong, uốn tấm vỏ tàu không gian ba chiều).
  • Xây dựng mô hình số 3D tích hợp tương tác nhiệt - cơ (Thermo-mechanical coupled FEM) để dự đoán chính xác trường biến dạng trước khi chế tạo khuôn.

5. Khả năng chuyển giao và ứng dụng thực tế của hệ thống ra sao?

Toàn bộ thuyết minh, bản vẽ thiết kế chế tạo mạch nung, cuộn cảm và khuôn uốn đã được đóng gói hoàn thiện. Hệ thống có thể chuyển giao cho các xưởng cơ khí chế tạo chi tiết vừa và nhỏ hoặc lắp đặt làm modul thí nghiệm thực hành trong các phòng Lab của trường kỹ thuật.

Kết luận

Đề tài NCKH trọng điểm "Chế tạo thiết bị gia nhiệt ứng dụng trong gia công có gia nhiệt" do TS. Vương Gia Hải làm chủ nhiệm đã giải quyết thành công bài toán tích hợp giữa công nghệ gia nhiệt cảm ứng điện từ cao tần và công nghệ tạo hình kim loại tấm. Bằng việc kiểm soát chính xác nhiệt độ uốn ở mức $600^\circ\text{C}$, nghiên cứu đã mở ra giải pháp tối ưu hóa lực dập, triệt tiêu sai số đàn hồi cho thép tấm SS400 dày $5\text{ mm}$.

Kết quả này không chỉ mang ý nghĩa khoa học sâu sắc trong việc hoàn thiện cơ sở lý thuyết tạo hình nửa nóng kim loại tấm dày mà còn đem lại giá trị kinh tế - kỹ thuật thực tiễn cao cho ngành cơ khí chế tạo tại Hải Phòng. Các doanh nghiệp và đơn vị nghiên cứu quan tâm có thể tiếp cận chuyển giao công nghệ và khai thác mô hình thực nghiệm này nhằm nâng cao năng lực sản xuất và đổi mới phương pháp giảng dạy kỹ thuật.