Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành cơ khí và chế tạo máy giữ vai trò là xương sống của hệ thống công nghiệp quốc gia. Sau hơn hai mươi năm mở cửa kinh tế, phần lớn các doanh nghiệp sản xuất đã chuyển đổi sang mô hình công ty cổ phần hoặc tiếp nhận vốn đầu tư nước ngoài. Tuy nhiên, phần lớn máy móc công cụ phục vụ sản xuất trong nước vẫn phải nhập khẩu, dẫn đến giá thành đầu tư cao, chi phí đào tạo lớn và việc bảo dưỡng, chuyển giao kỹ thuật tốn kém. Yêu cầu nội địa hóa máy móc công cụ sản xuất là đòi hỏi tất yếu nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh công nghiệp.

Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo, chi tiết ống uốn chiếm tỷ lệ sử dụng rất lớn. Theo thống kê thực tế, một dự án chế tạo dây chuyền công nghiệp đòi hỏi tối thiểu 20 chủng loại ống khác nhau, với khoảng 4.000 chi tiết cần uốn theo các bán kính và góc uốn đa dạng. Trong ngành công nghiệp ô tô, riêng hãng Toyota đối với một chủng loại ống làm mát động cơ có 3 vị trí uốn đã đạt sản lượng đặt hàng 10.000 sản phẩm/năm; ước tính 9 doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp ô tô tại Việt Nam (như Isuzu, Ford, Mitsubishi, Honda...) có nhu cầu tối thiểu 90.000 sản phẩm ống uốn mỗi năm. Bên cạnh đó, ngành xây dựng dân dụng và trang trí nội thất sử dụng hơn 100.000 chủng loại thép định hình và thép ống được uốn tạo hình hoa văn. Các cơ sở trong nước khi nhận gia công thường dùng thiết bị uốn thô sơ, dẫn đến sản phẩm sai số lớn, bề mặt nhăn, tính thẩm mỹ kém, khiến phần lớn đơn hàng thuộc về các doanh nghiệp nước ngoài.

Trước thực tế đó, đề tài "Nghiên cứu tính toán và thiết kế máy uốn ống thủy lực có dải ống Ø15 đến Ø 50" được thực hiện nhằm mục tiêu thiết kế hệ thống máy uốn ống thủy lực đảm bảo độ chính xác, lực uốn lớn, năng suất cao và chi phí chế tạo thấp nhằm phục vụ nhu cầu nội địa hóa.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài gồm 4 nội dung:

  1. Khảo sát tổng quan tình hình ứng dụng sản phẩm uốn ống và công nghệ máy uốn ống trên thế giới và tại Việt Nam.
  2. Phân tích, so sánh các phương án truyền động và phương pháp uốn để lựa chọn kết cấu thiết kế tối ưu.
  3. Phân tích cơ sở lý thuyết quá trình biến dạng dẻo, tính toán mô men uốn và các lực kẹp ống cho dải kích thước thiết kế.
  4. Lập sơ đồ nguyên lý mạch thủy lực, tính toán kích thước các cơ cấu chấp hành và lưu lượng dầu cung cấp cho hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quá trình biến dạng dẻo khi uốn ống thép tròn và hệ thống máy uốn ống dẫn động thủy lực.
  • Phạm vi nghiên cứu: Dải đường kính ống uốn từ Ø15 mm đến Ø50 mm; chiều dày thành ống lên đến 3,0 mm; chiều dài phôi ống khảo sát 5,0 m; vật liệu ống là thép carbon nhóm CII theo tiêu chuẩn TCVN 6285-1997; góc uốn khảo sát đạt tới 180 độ. Đồ án được hoàn thành năm 2011 tại Hà Nội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết biến dạng dẻo kim loại và biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng ($\sigma - \varepsilon$). Trong quá trình uốn, các thớ kim loại nằm ở phía ngoài đường trung hòa chịu ứng suất kéo và dãn dài, trong khi các thớ kim loại nằm phía trong đường trung hòa chịu ứng suất nén. Khi ống bị uốn cong, đường trung hòa dời chỗ về phía tâm uốn. Sự phân bố ứng suất không đồng đều gây ra ba hiện tượng cơ học chủ yếu: biến mỏng thành ống ở mặt ngoài và dày lên ở mặt trong, tiết diện ngang bị biến dạng thành hình oval, và hiện tượng phục hồi đàn hồi (springback) sau khi dỡ tải. Khi uốn với bán kính nhỏ hơn bán kính tới hạn, sự mất ổn định ở vùng chịu nén sẽ hình thành nếp nhăn lượn sóng trên thành ống.

Về văn bản kỹ thuật, nghiên cứu áp dụng Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6285-1997 về đặc tính uốn của thép, quy định bán kính uốn nhỏ nhất cho phép $R_{min} = 1,5d$ (với $d$ là đường kính ống) tương ứng với cơ tính của thép nhóm CII, CIII và CIV.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Khảo sát các mẫu máy uốn ống thủ công, bán tự động và CNC trên thế giới và tại Việt Nam để đánh giá thông số kỹ thuật.
  • Phương pháp so sánh phương án kỹ thuật: Đánh giá ưu nhược điểm của 4 phương án truyền lực (tay, cơ khí hộp giảm tốc, thủy lực, khí nén) và 4 phương pháp uốn (khuôn quay cuốn ống theo, khuôn cố định kết hợp con lăn quay, uốn cuộn 3 trục, uốn bằng chuyển động thẳng của khuôn).
  • Phương pháp tính toán cơ học và sức bền vật liệu: Xác định mô men chống uốn $Wx$, điều kiện biến dạng dẻo ($\sigma \ge \sigma_{ch}$), mô men uốn $Mu$, lực kẹp chống trượt dọc trục và mô men chống xoay ống do trọng lượng bản thân phôi gây ra.
  • Phương pháp tính toán thủy lực học: Xác định phương trình cân bằng lực của xi lanh, mô men động học của xi lanh quay cánh gạt và lưu lượng thể tích cấp cho các buồng công tác.

Nguồn dữ liệu sử dụng: Thông số cơ tính thép theo TCVN 6285-1997; tài liệu kỹ thuật máy uốn điện thủy lực RAPID T100M/T10/M; tài liệu máy uốn CNC model CB-DR-60CNC-HR của hãng Taiyo (Nhật Bản); dữ liệu máy uốn CNC đóng tàu của Công ty Cổ phần Phát triển Công nghệ Hi-T; số liệu thống kê sản xuất từ ngành ô tô và xây dựng tại Việt Nam.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về uốn ống phổ biến hiện nay

Chương 1 khảo sát tình hình ứng dụng thép ống trong kết cấu xây dựng dân dụng, công nghiệp, nội thất và công nghiệp giao thông vận tải. Nhu cầu phụ tùng uốn ống phục vụ lắp ráp cơ khí tại Việt Nam rất lớn nhưng phần lớn phải nhập khẩu.

Về tình hình công nghệ trên thế giới, máy uốn ống phát triển đa dạng:

  • Máy uốn thủ công: Kết cấu nhỏ gọn, chi phí thấp nhưng phụ thuộc tay nghề, năng suất thấp và dễ tạo khuyết tật.
  • Máy uốn bán tự động NC dùng động cơ thủy lực: Lực uốn đồng đều, tích hợp đầu phân độ để uốn nhiều đoạn cong với bán kính khác nhau qua bàn đạp chân.
  • Máy uốn bán tự động dùng động cơ điện: Uốn góc tối đa 190 độ, có puly và cữ chắn dưới chống bẹp, trang bị tay dẫn ống phía sau để chống biến dạng.
  • Máy uốn điện thủy lực RAPID T100M / RAPID T10/M: Dẫn động bằng cụm bơm và hộp giảm tốc điện thủy lực lắp trên bàn gia công hai tầng, điều khiển từ xa qua bộ phân phối 2 chiều, sử dụng piston đẩy khuôn uốn thẳng.
  • Máy uốn CB-DR-60CNC-HR của hãng Taiyo (Nhật Bản): Điều khiển bằng chuẩn FANUC thông qua màn hình cảm ứng, có bộ nhớ 30 kênh (mỗi kênh 20 bước uốn), thực hiện uốn 3D với độ chính xác góc uốn $\pm0,1^\circ$, độ dịch dọc thân máy $\pm0,1$ mm, góc quay ống $\pm0,1^\circ$.

Tại Việt Nam, máy uốn tự động chủ yếu nhập khẩu từ Nhật Bản, EU hoặc Mỹ. Doanh nghiệp trong nước như Công ty Cổ phần Phát triển Công nghệ Hi-T đã chế tạo máy uốn ống CNC phục vụ đóng tàu với đường kính ngoài uốn lớn nhất 165,2 mm, bán kính uốn tối đa 495 mm, góc uốn lớn nhất 180 độ, tốc độ cấp ống 410 mm/s, tốc độ uốn 11,5 độ/s. Tuy nhiên máy của Hi-T chỉ uốn cố định góc 180 độ và phải dừng máy để thay khuôn thủ công khi thay đổi bán kính uốn.

Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế

Chương 2 thiết lập hệ thống chỉ tiêu kỹ thuật: gia công ống đường kính Ø15–Ø50 mm, kết cấu nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng, vận hành an toàn ở cả chế độ tự động và thủ công, chi phí đầu tư thấp. Tác giả tiến hành so sánh 4 phương án truyền lực:

  1. Cơ cấu truyền lực bằng tay: Kết cấu đơn giản nhưng lực tác dụng yếu, độ chính xác thấp, năng suất kém.
  2. Cơ cấu truyền lực bằng cơ khí (hộp giảm tốc): Dùng động cơ điện qua hộp giảm tốc và cặp bánh răng; năng suất khá nhưng lực phân bố không đồng đều và tính chuyên môn hóa chưa cao.
  3. Cơ cấu truyền lực bằng thủy lực: Tạo lực uốn lớn, chuyển động êm dịu, dễ dàng điều chỉnh áp suất, độ bền cao và thuận lợi cho việc tự động hóa điều khiển van.
  4. Cơ cấu truyền lực bằng khí nén: Thao tác nhanh nhưng lực yếu, kích thước xi lanh cồng kềnh, tính nén của khí phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và dễ rò rỉ.

Tác giả chọn phương án 3 (thủy lực). Tiếp theo, 4 phương pháp uốn được xem xét: uốn khuôn quay cuốn ống theo; uốn có khuôn cố định kết hợp con lăn quay; uốn cuộn 3 trục quay (roll bending); uốn đẩy bằng chuyển động thẳng của khuôn (ram bending). So sánh hai phương án khả thi nhất cho tự động hóa: phương án khuôn quay cuốn ống khiến ống bị dịch chuyển kéo theo trong khi uốn góc làm cơ cấu kẹp xoay phía sau phức tạp; phương án khuôn cố định giữ nguyên vị trí phôi trong quá trình uốn góc, giúp việc tính toán tọa độ dịch chuyển tương đối đơn giản hơn. Tác giả lựa chọn phương pháp khuôn uốn cố định kết hợp con lăn quay dẫn động bằng thủy lực.

Chương 3: Quá trình uốn - Tính toán mô men và lực uốn

Chương 3 trình bày các hiện tượng cơ học trong quá trình tạo hình ống và xác định bán kính uốn nhỏ nhất cho phép theo TCVN 6285-1997 là $R_{min} = 1,5d$. Tính toán động lực học được thực hiện cho trường hợp bất lợi nhất: phôi ống có kích thước lớn nhất Ø50 mm, chiều dày thành $t = 3$ mm, mác thép CII (giới hạn chảy $\sigma_{ch} = 240$ N/mm², giới hạn bền kéo $\sigma_b = 500$ N/mm², độ giãn dài tương đối $\delta = 19%$).

Với đường kính ngoài $D = 50$ mm, đường kính trong $d = 44$ mm, mô men chống uốn của tiết diện vành khăn đạt: $$Wx = \frac{\pi (D^4 - d^4)}{32 D} = 4912,5 \text{ mm}^3$$

Để xuất hiện biến dạng dẻo, ứng suất uốn phải đạt giới hạn chảy ($\sigma_u \ge 240$ N/mm²), suy ra mô men uốn cần thiết: $$Mu = Wx \cdot \sigma_{ch} = 4912,5 \times 240 = 1.179.000 \text{ N.mm} \approx 619 \text{ Nm}$$

Với bán kính khuôn uốn $R = 150$ mm, tác giả tính toán mô men cho các độ dày khác nhau của dải ống Ø50 mm:

  • Ống Ø50 mm, dày 1,6 mm: Mô men uốn đạt 524 Nm.
  • Ống Ø50 mm, dày 3,0 mm: Mô men uốn đạt 620 Nm.

Phân tích lực kẹp tĩnh: Phôi ống dài 5 m, chiều dài phần uốn vươn ra tối đa $l = 2,5$ m, khối lượng dài của ống Ø50 mm là 3,5 kg/m (trọng lượng phần uốn $P = 85,8$ N). Để chống lại mô men quay do trọng lượng bản thân ống gây ra và giữ ống không bị trượt khi con lăn ép uốn (hệ số ma sát tĩnh thép - thép $k_t = 0,7$), lực ép yêu cầu của xi lanh kẹp tĩnh tính toán được là: $$F_2 = 1950 \text{ N}$$

Đối với cụm mâm cặp di động (Collet Chuck), lực kẹp dọc trục do xi lanh tác động lên mặt côn cam để giữ ống không bị xê dịch tương đối được xác định là: $$F_k = 1654 \text{ N}$$

Chương 4: Tính toán hệ thống thủy lực

Chương 4 thiết lập sơ đồ nguyên lý mạch thủy lực và tính chọn các cơ cấu chấp hành. Hệ thống gồm:

  • Cơ cấu cấp phôi: Động cơ servo kết hợp bộ truyền thanh răng - bánh răng thực hiện tịnh tiến ống vào vị trí uốn.
  • Cơ cấu xoay hướng kính: Động cơ servo kết hợp hộp giảm tốc bánh răng điều khiển quay mâm cặp Collet Chuck quanh trục phôi, tạo khả năng uốn không gian 3D.
  • Cơ cấu uốn chính: Xi lanh quay thủy lực một cánh gạt tạo chuyển động quay cho tay mang con lăn quanh khuôn uốn cố định.
  • Cảm biến đo lường: Cảm biến đo góc gắn trên trục uốn; các bộ mã hóa góc quay (Rotary Encoder) gắn trên các động cơ servo để kiểm soát cữ dịch chuyển và góc xoay.

Tính toán kích thước các phần tử chấp hành ở áp suất làm việc định mức của hệ thống $P = 150 \text{ bar} = 14.715.000 \text{ N/m}^2$:

  • Xi lanh kẹp ống tĩnh: Với lực tải dọc trục 1950 N, đường kính tính toán lý thuyết $D = 13$ mm. Để đảm bảo độ cứng vững dưới tải trọng va đập, tác giả chọn đường kính trong xi lanh $D = 35$ mm, đường kính cần piston $d = 20$ mm (diện tích buồng đẩy $A_1 = 9,62 \times 10^{-4} \text{ m}^2$).
  • Xi lanh kẹp Collet Chuck: Lực kẹp 1654 N cho đường kính tính toán $D_1 = 12$ mm; chọn đồng bộ theo tiêu chuẩn độ bền là $D_1 = 35$ mm, $d_1 = 20$ mm.
  • Xi lanh quay một cánh gạt: Mô men quán tính khối lượng trên trục $J = 0,1125 \text{ kg.m}^2$, thời gian quá độ $t_0 = 0,1$ s sinh ra mô men quán tính $Ma = 0,45$ Nm; mô men ma sát nhớt $MD = 62$ Nm (bằng 10% mô men cản); mô men tải ngoài $ML = 620$ Nm. Mô men tổng tác dụng lên trục xi lanh quay: $$M = ML + MD + Ma = 620 + 62 + 0,45 \approx 682 \text{ Nm}$$ Tác giả chọn đường kính trục cánh gạt $d = 70$ mm, đường kính ngoài buồng cánh gạt $D = 110$ mm, chiều rộng cánh gạt $b = 55$ mm. Độ chênh áp công tác yêu cầu giữa hai buồng là $\Delta P = 144,6 \text{ bar}$, thỏa mãn điều kiện nhỏ hơn áp suất làm việc định mức 150 bar.

Tính toán lưu lượng cấp:

  • Xi lanh kẹp tĩnh và xi lanh Collet Chuck: Vận tốc tiến kẹp $v = 0,2$ m/s, lưu lượng yêu cầu $Q = A_1 \times v = 1,924 \times 10^{-4} \text{ m}^3\text{/s} = 11,44$ l/phút; vận tốc lùi nhanh đạt $v_2 = 192,4$ mm/s.
  • Xi lanh quay: Vận tốc uốn lựa chọn theo tốc độ biến dạng dẻo kim loại $\omega = 20^\circ\text{/s} = 0,35 \text{ rad/s}$, lưu lượng cấp yêu cầu $Q = 1,73 \times 10^{-5} \text{ m}^3\text{/s} = 1,04$ l/phút; vận tốc góc lùi nhanh $\omega_{lùi} = 45^\circ\text{/s} = \pi/4 \text{ rad/s}$.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc hệ thống uốn ống thủy lực được triển khai đồng bộ giữa kết cấu cơ khí, hệ thống chấp hành thủy lực và các phần tử điều khiển vị trí:

  1. Cơ cấu truyền động và định vị phôi:
  • Trục tịnh tiến cấp phôi: Động cơ servo truyền động qua cặp thanh răng - bánh răng đưa phôi ống vào vị trí uốn theo các tọa độ tính toán sẵn.
  • Trục xoay phôi 3D: Cụm mâm kẹp nhanh (Collet Chuck) được gắn trên giá trượt tịnh tiến, dẫn động quay hướng kính bởi động cơ servo qua hộp giảm tốc bánh răng để quay phôi quanh tâm ống, cho phép uốn các đoạn cong nằm trên các mặt phẳng không gian khác nhau.
  • Cụm uốn tạo hình: Khuôn uốn có bán kính $R = 150$ mm được lắp cố định trên thân máy. Tay quay mang con lăn tỳ uốn được gắn trực tiếp vào trục ra của xi lanh quay thủy lực một cánh gạt để miết phôi ôm sát biên dạng khuôn.
  1. Mạch thủy lực và thiết bị điều khiển dòng:
  • Trạm nguồn: Bơm dầu thủy lực cung cấp áp suất danh định 150 bar, tích hợp bộ lọc dầu tại cửa hút và van an toàn khống chế áp suất cực đại bảo vệ hệ thống.
  • Cụm van phân phối: Sử dụng các van đảo chiều 4/3 điều khiển điện từ để đảo chiều chuyển động của xi lanh kẹp tĩnh, xi lanh Collet Chuck và xi lanh quay uốn; trang bị van xả khẩn cấp ngắt tải khi xảy ra sự cố.
  • Cụm điều chỉnh tốc độ: Mạch cấp dầu cho xi lanh quay uốn được lắp đặt bộ ổn tốc riêng biệt nhằm khống chế vận tốc góc uốn ổn định ở mức $20^\circ/\text{s}$, tránh hiện tượng giật cục gây nứt thành ống hoặc làm méo biên dạng hình học.
  1. Hệ thống đo lường và phản hồi:
  • Đo hành trình đẩy phôi và góc xoay 3D: Tích hợp thiết bị đo góc quay (Rotary Encoder) tại trục động cơ servo.
  • Đo góc uốn: Cảm biến đo góc chuyên dụng gắn trực tiếp tại trục quay uốn của xi lanh một cánh gạt để ngắt van phân phối khi đạt góc uốn cài đặt.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành việc tính toán động lực học và xác lập các thông số kỹ thuật cốt lõi cho hệ thống máy uốn ống thủy lực dải Ø15–Ø50 mm.

Thông số thiết kế Giá trị xác lập Đơn vị
Dải đường kính ngoài ống uốn Ø15 – Ø50 mm
Chiều dày thành ống uốn lớn nhất 3,0 mm
Chiều dài phôi ống khảo sát 5,0 m
Bán kính uốn nhỏ nhất ($R_{min}$) theo TCVN 6285-1997 $1,5d$ mm
Mô men uốn tính toán lớn nhất ($Mu$) 619 (chọn $ML = 620$) Nm
Mô men tổng tác dụng lên trục xi lanh quay ($M$) 682 Nm
Lực kẹp yêu cầu của xi lanh kẹp tĩnh ($F_2$) 1950 N
Lực kẹp yêu cầu của xi lanh Collet Chuck ($F_k$) 1654 N
Đường kính xi lanh kẹp tĩnh và Collet Chuck ($D \times d$) $35 \times 20$ mm
Kích thước xi lanh quay cánh gạt ($D \times d \times b$) $110 \times 70 \times 55$ mm
Áp suất danh định của trạm nguồn thủy lực 150 bar
Độ chênh áp công tác của xi lanh quay ($\Delta P$) 144,6 bar
Vận tốc tiến kẹp của các xi lanh kẹp 0,2 (200) m/s (mm/s)
Lưu lượng dầu cấp cho các xi lanh kẹp ($Q$) 11,44 l/phút
Vận tốc góc uốn ống định mức ($\omega$) 20 (0,35) độ/s (rad/s)
Lưu lượng dầu cấp cho xi lanh quay ($Q$) 1,04 l/phút
Vận tốc góc lùi nhanh của xi lanh quay 45 ($\pi/4$) độ/s (rad/s)

Về giải pháp đề xuất:

  • Lựa chọn giải pháp uốn bằng khuôn cố định kết hợp con lăn quay dẫn động bởi xi lanh quay thủy lực một cánh gạt, giúp triệt tiêu hiện tượng dịch chuyển phôi ống trong hành trình uốn góc.
  • Kết hợp cơ cấu kẹp xoay Collet Chuck và động cơ servo đẩy phôi tịnh tiến, tạo điều kiện mở rộng khả năng gia công biên dạng uốn không gian 3 chiều.
  • Bố trí bộ ổn tốc trong nhánh thủy lực uốn để kiểm soát tốc độ biến dạng dẻo của kim loại, giữ chất lượng bề mặt uốn không bị nhăn rách.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài:

  • Xây dựng quy trình tính toán cơ học biến dạng uốn ống dựa trên cơ tính thép theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6285-1997, chuyển đổi trực tiếp thành các yêu cầu lực và mô men cơ học cho cơ cấu chấp hành.
  • Khắc phục các hạn chế về tính linh hoạt của các mẫu máy trong nước (như dòng máy uốn của Công ty Hi-T vốn bị giới hạn góc uốn 180 độ và thiếu cơ cấu xoay ống 3D tự động).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo tự nhận định của tác giả trong văn bản, đồ án còn một số hạn chế do điều kiện thời gian và nguồn tư liệu chuyên ngành:

  • Tài liệu chuyên sâu về thiết kế máy uốn ống tự động trong nước còn hạn chế, các tính toán mới dừng lại ở mức độ thiết kế nguyên lý và tính chọn kích thước cơ cấu chấp hành chính.
  • Chưa tiến hành chế tạo mô hình thực nghiệm để kiểm chứng độ chính xác hình học thực tế và mức độ đàn hồi phục hồi (springback) của các mác thép khác nhau.
  • Cụm mâm kẹp nhanh (Collet Chuck) mới chỉ tính toán lực kẹp chống trượt dựa trên phản lực côn cam, chưa thiết kế chi tiết kết cấu cơ khí và chưa tính toán kiểm nghiệm độ bền mỏi.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

  • Thiết kế chi tiết cụm mâm cặp Collet Chuck và hoàn thiện bản vẽ chế tạo toàn bộ hệ thống máy.
  • Xây dựng thuật toán và lập trình tích hợp bộ điều khiển PLC hoặc phần mềm CNC tương thích mã G-code để điều khiển đồng bộ giữa động cơ servo cấp phôi và hệ thống van điện từ thủy lực.
  • Chế tạo máy mẫu thực nghiệm, đo đạc sai số góc đàn hồi trên các dải đường kính Ø15–Ø50 mm nhằm đưa ra bảng bù trừ góc uốn tự động trên phần mềm điều khiển.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và giảng viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật Hàng không khi thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về máy gia công áp lực và máy thủy lực.

Tài liệu cũng có giá trị thực tiễn đối với các kỹ sư cơ khí, kỹ sư thiết kế máy công cụ và các cơ sở sản xuất thiết bị uốn tạo hình kim loại. Trong đó, các phần đáng tham khảo nhất bao gồm:

  • Phương pháp luận tính toán mô men chống uốn $Wx$, mô men uốn giới hạn chảy dẻo và tính toán lực kẹp ống chống mô men xoay do trọng lượng bản thân phôi gây ra (Chương 3).
  • Phương pháp tính chọn kích thước hình học xi lanh quay một cánh gạt dựa trên phương trình cân bằng mô men động học và độ chênh áp suất thủy lực (Chương 4).
  • Sơ đồ tích hợp bộ ổn tốc vào mạch thủy lực uốn để kiểm soát vận tốc góc uốn ổn định theo vận tốc biến dạng dẻo của vật liệu (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao tác giả lựa chọn phương pháp khuôn uốn cố định kết hợp con lăn quay thay vì phương pháp khuôn uốn quay cuộn ống theo? Trong phương pháp khuôn uốn quay cuộn ống theo, phôi ống bị dịch chuyển kéo theo trong toàn bộ quá trình uốn góc, khiến kết cấu cơ cấu kẹp và xoay ống phía sau trở nên rất phức tạp. Ngược lại, phương pháp khuôn uốn cố định giữ cho ống đứng yên tại điểm kẹp trong suốt hành trình uốn góc của con lăn, giúp đơn giản hóa kết cấu dẫn hướng, giảm độ phức tạp cho mâm cặp phía sau và thuận tiện cho việc lập trình xác định tọa độ uốn tương đối.

2. Bán kính uốn nhỏ nhất cho phép của dải ống được xác định theo tiêu chuẩn nào và bằng bao nhiêu? Bán kính uốn nhỏ nhất được xác định theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6285-1997. Theo tiêu chuẩn này, bán kính uốn nhỏ nhất cho phép đối với các mác thép kết cấu (CII, CIII, CIV) bằng 1,5 lần đường kính ngoài của ống ($R_{min} = 1,5d$) nhằm đảm bảo lớp kim loại ngoài cùng không bị nứt gãy và hạn chế sự hình thành nếp nhăn ở vùng kim loại chịu nén.

3. Tại sao đường kính trong của xi lanh kẹp được chọn là D = 35 mm trong khi tính toán lý thuyết chỉ cần 12–13 mm? Với áp suất hệ thống 150 bar, lực kẹp tính toán 1950 N chỉ yêu cầu đường kính xi lanh lý thuyết khoảng 13 mm (đối với kẹp tĩnh) và 12 mm (đối với Collet Chuck). Tuy nhiên, trong điều kiện làm việc thực tế, cơ cấu kẹp phải chịu tải trọng động, lực va đập và rung động khi con lăn miết uốn. Do đó, tác giả chọn đường kính danh định tiêu chuẩn $D = 35$ mm và cần piston $d = 20$ mm để đảm bảo độ cứng vững, độ bền kết cấu và tuổi thọ làm việc cho cụm xi lanh.

4. Chức năng uốn tạo hình trong không gian 3 chiều (3D) được thực hiện nhờ cơ cấu nào? Khả năng uốn 3D được thực hiện thông qua cụm mâm cặp nhanh (Collet Chuck). Cụm này có hai bậc tự do: tịnh tiến dọc trục nhờ động cơ servo qua bộ truyền thanh răng - bánh răng để đưa phôi đến tọa độ uốn, và xoay hướng kính quanh tâm ống nhờ một động cơ servo khác kết hợp hộp giảm tốc bánh răng để định hướng mặt phẳng uốn trước khi xi lanh thủy lực thực hiện uốn góc.

5. Vì sao cần bố trí bộ ổn tốc riêng biệt trong nhánh mạch thủy lực của xi lanh quay? Tốc độ uốn có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình biến dạng dẻo của kim loại. Nếu vận tốc uốn thay đổi đột ngột hoặc quá nhanh, ống thép dễ bị rách mép ngoài, biến dạng oval tiết diện hoặc nhăn gãy ở mặt trong. Bộ ổn tốc giúp duy trì ổn định vận tốc góc uốn ở mức định mức $20^\circ/\text{s}$ ($0,35 \text{ rad/s}$), đảm bảo chất lượng hình học và thẩm mỹ của mối uốn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu tính toán và thiết kế máy uốn ống thủy lực có dải ống Ø15 đến Ø 50" của tác giả Nguyễn Ngọc Linh đã giải quyết một cách có hệ thống bài toán tính toán thiết kế máy uốn cơ khí - thủy lực phục vụ nhu cầu nội địa hóa thiết bị chế tạo. Nghiên cứu đã làm rõ bản chất cơ học của quá trình biến dạng dẻo kim loại ống, lựa chọn phương án uốn khuôn cố định kết hợp xi lanh quay cánh gạt và xác lập các thông số động lực học, kích thước xi lanh và lưu lượng trạm nguồn thủy lực ở áp suất danh định 150 bar. Kết quả tính toán cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu kỹ thuật tin cậy cho việc phát triển các dòng máy uốn ống tự động 3D trong ngành cơ khí chế tạo máy tại Việt Nam.