Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Thông Số Công Nghệ Gia Công Biến Dạng Dẻo Ống Kim Loại Mỏng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu công nghệ chế tạo máy nghiên cứu các thông số công nghệ trong quá trình gia công biến dạng dẻo ống, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Nguyễn Vũ Lực
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tường Long
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
• Đề tài: Nghiên cứu các thông số công nghệ trong quá trình gia công biến dạng dẻo ống kim loại thành mỏng bằng mô phỏng và thực nghiệm
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào việc gia công biến dạng dẻo ống kim loại mỏng bằng phương pháp mô phỏng và thực nghiệm. Mục tiêu chính là khảo sát các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình gia công, bao gồm góc uốn, bán kính uốn, và ma sát. Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để mô phỏng quá trình biến dạng, kết hợp với thực nghiệm để xác minh kết quả. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình gia công, giảm thiểu hư hỏng và nâng cao chất lượng sản phẩm.

1.1. Giới thiệu chung

Quá trình gia công biến dạng dẻo được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như hàng không, ô tô, và xây dựng. Phương pháp uốn quay được lựa chọn do khả năng xử lý ống mỏng hiệu quả. Nghiên cứu này nhằm tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình uốn, đặc biệt là hiện tượng nhăn và biến dạng mặt cắt ngang. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần cải thiện quy trình sản xuất và giảm chi phí.

1.2. Tình hình nghiên cứu

Các nghiên cứu trước đây đã tập trung vào việc dự đoán hiện tượng nhăn và biến dạng mặt cắt ngang trong quá trình uốn ống. Các phương pháp như phân tích năng lượng và mô phỏng phần tử hữu hạn đã được sử dụng để đánh giá các thông số công nghệ. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức trong việc dự đoán chính xác các hiện tượng hư hỏng, đặc biệt với ống có đường kính lớn và bán kính uốn nhỏ.

II. Cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về biến dạng dẻo và ma sát trong quá trình gia công. Các phương trình cơ bản như điều kiện chảy dẻo Tresca-Saint-Venant và lý thuyết Prandtl-Reuss được sử dụng để mô tả quá trình biến dạng. Ngoài ra, các yếu tố ảnh hưởng đến ma sát tiếp xúc cũng được phân tích chi tiết. Những lý thuyết này là nền tảng để thiết lập mô hình mô phỏng và thực nghiệm.

2.1. Biến dạng dẻo

Biến dạng dẻo là quá trình thay đổi hình dạng vật liệu dưới tác dụng của lực. Các phương trình như điều kiện chảy dẻo Tresca-Saint-Venant và lý thuyết Prandtl-Reuss được sử dụng để mô tả quá trình này. Nghiên cứu cũng đề cập đến hiện tượng biến cứng nguội và ảnh hưởng của nó đến quá trình gia công.

2.2. Ma sát tiếp xúc

Ma sát đóng vai trò quan trọng trong quá trình gia công biến dạng dẻo. Các yếu tố như áp lực tiếp xúc, độ nhám bề mặt, và chất bôi trơn ảnh hưởng đến hệ số ma sát. Nghiên cứu sử dụng định luật ma sát trượt để phân tích và dự đoán lực ma sát trong quá trình uốn ống.

III. Phân tích thông số công nghệ

Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích các thông số công nghệ như góc uốn, bán kính uốn, và ma sát. Các thông số này được đánh giá thông qua mô phỏng và thực nghiệm. Kết quả cho thấy, tỉ lệ D/t (đường kính ống/chiều dày ống) có ảnh hưởng lớn đến hiện tượng nhăn và biến dạng mặt cắt ngang. Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp để hạn chế hư hỏng trong quá trình gia công.

3.1. Ảnh hưởng của thông số hình học

Tỉ lệ D/t là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình uốn ống. Khi tỉ lệ này tăng, nguy cơ nhăn và biến dạng mặt cắt ngang cũng tăng. Nghiên cứu sử dụng mô phỏng để đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ D/t đến chất lượng sản phẩm.

3.2. Ảnh hưởng của thông số công nghệ

Các thông số như góc uốn, bán kính uốn, và ma sát được phân tích chi tiết. Kết quả cho thấy, việc điều chỉnh các thông số này có thể giảm thiểu hư hỏng và nâng cao hiệu quả gia công.

IV. Mô phỏng và thực nghiệm

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng quá trình gia công biến dạng dẻo. Mô hình mô phỏng được xây dựng dựa trên máy uốn ống thủ công. Kết quả mô phỏng được so sánh với thực nghiệm để xác minh độ chính xác. Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp để cải thiện quy trình gia công, bao gồm việc sử dụng lõi uốn và áp lực dầu bên trong ống.

4.1. Mô phỏng phần tử hữu hạn

Mô hình phần tử hữu hạn được xây dựng để mô phỏng quá trình uốn ống. Các thông số như ứng suất von-Mises và biến dạng mặt cắt ngang được phân tích chi tiết. Kết quả mô phỏng cho thấy, việc sử dụng lõi uốn có thể giảm thiểu hiện tượng nhăn và biến dạng.

4.2. Thực nghiệm gia công

Thực nghiệm được tiến hành trên máy uốn ống thủ công. Kết quả thực nghiệm cho thấy, việc sử dụng áp lực dầu bên trong ống có thể cải thiện chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp để tối ưu hóa quy trình gia công.

V. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã xác định các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình gia công biến dạng dẻo ống kim loại mỏng. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy, việc điều chỉnh các thông số như góc uốn, bán kính uốn, và ma sát có thể giảm thiểu hư hỏng và nâng cao chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp để cải thiện quy trình gia công, bao gồm việc sử dụng lõi uốn và áp lực dầu bên trong ống.

5.1. Kết luận

Nghiên cứu đã thành công trong việc xác định các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình gia công biến dạng dẻo. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy, việc điều chỉnh các thông số này có thể giảm thiểu hư hỏng và nâng cao chất lượng sản phẩm.

5.2. Kiến nghị

Nghiên cứu đề xuất các giải pháp để cải thiện quy trình gia công, bao gồm việc sử dụng lõi uốn và áp lực dầu bên trong ống. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số công nghệ và ứng dụng các phương pháp mô phỏng tiên tiến hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề chính xác tin cậy trong thực nghiệm và kể cả sự lặp lại của phương pháp thử - sai trong thực tế, phí sức, tốn nguyên liệu, thời gian trong thiết kế, điều chỉnh quá trình và các thông số dụng cụ, hơn nữa làm cho hiệu suất giảm trầm trọng. Do đó dẫn đến hậu quả không tốt [14]. Từ kết quả đó, làm sao để dự đoán nhanh hiện tượng này đúng đắn để giải quyết vấn đề cấp thiết cho việc phát triển quá trình uốn ống thành mỏng cao cấp điều khiển số ở hiện tại. Hiện tượng nhăn thu hút nhiều nhà nghiên cứu trong một thời gian dài.

Ứng suất lớn được dự đoán hình thành nhăn trong giai đoạn đầu của quá trình tạo hình tấm. Phương pháp năng lượng được sử dụng rộng rãi tìm ra điều kiện chuẩn nhăn trong quá trình đó. Tuy nhiên hiện nay các nhà khoa học nghiên cúu về nhăn trong quá trình tạo hình ống chưa nhiều. Wang and Cao [3] nghiên cứu hạn chế của quá trình tạo hình ống qua phân tích nhăn.

Tuy nhiên phương pháp đề xuất của họ không thích ứng để có được bán kính uốn nhỏ nhất cho ống có tỷ số đường kính/chiều dày lớn bởi vì nhăn thích hợp với hàm sóng được đề nghị mà dự đoán tiêu chuẩn ứng suất cho việc nhăn đúng hơn với ống nhỏ. Do đó trong nội dung nghiên cứu này, thiết lập hàm sóng nhăn mới kết hợp với góc uốn và số bước sóng. Hơn nữa mô hình ứng suất đơn giản cho dự đoán quá trình nhăn được phát triển với mục tiêu thăm dò sự ảnh hưởng làm hạn chế tạo hình bởi thông số hình học và tính chất vật liệu ống dựa vào phương pháp năng lượng và lý thuyết mỏng. Trang 23 Luận văn Thạc sĩ Kết luận của của nghiên cứu: Giới thiệu hàm sóng mới, thiết lập một mô hình phân tích dự đoán nhăn đơn giản cho uốn ống thành mỏng, có kiểm nghiệm thỏa mãn giữa lý thuyết và thực nghiệm [3], khi tỉ số R/t>20.

Mô hình này có thể xác định bán kính uốn nhỏ nhất cho ống. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của thông số hình học và tính chất vật liệu: (1) Ảnh hưởng của góc uốn trên bán kính uốn nhỏ nhất ít nên có thể bỏ qua; (2) Ảnh hưởng của thông số hình học và tính chất vật liệu của ống đối với bán kính uốn nhỏ nhất thì lớn đáng kể; (3) Bán kính uốn trở nên lớn hơn so với bán kính mong muốn và hệ số biến dạng của ống tăng với chiều dày và hệ số mũ biến cứng giảm. Mô hình này chưa xét đến tốc độ quay của puly uốn, ma sát … Những ảnh hưởng đến các hạn chế của quá trình uốn có thể được nghiên cứu toàn diện bằng cách mô phỏng FEM.4 Nghiên cứu về ảnh hưởng của ma sát trong quá trình uốn ống.[4] Trong quá trình tạo hình, sự nứt và nhăn có thể tránh được nhưng biến dạng mặt cắt ngang và phần ống chịu kéo quá mỏng không tránh được. Sự nứt và nhăn nên tránh đầu tiên, sau đó biến dạng mặt cắt ngang và phần mỏng có thể giảm nhanh trong quá trình tạo hình.

Ma sát giữa dụng cụ uốn và ống có ảnh hưởng đáng kể trong quá trình uốn ống mỏng. Ảnh hưởng này rất phức tạp bởi vì có quá nhiều bề mặt tiếp xúc giữa dụng cụ uốn và chi tiết ống uốn. Hiện tại chưa có nghiên cứu báo cáo về ảnh hưởng của ma sát. Tác giả dùng phương pháp số để xác định ảnh hưởng của ma sát trong quá trình uốn ống mỏng, kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm.

Kết quả của nghiên cứu này được sử dụng để xác định các điều kiện ma sát trong quá trình và phương pháp mô phỏng số có thể sử dụng để xác định các thông số khác trong quá trình tạo hình chất lượng cao. Các cặp ma sát ảnh hưởng được phân tích trong nghiên cứu: - Ảnh hưởng của ma sát giữa lỏi uốn và ống - Ảnh hưởng của ma sát giữa thanh đỡ dọc uốn và ống - Ảnh hưởng của ma sát giữa thanh trượt dọc và ống - Ảnh hưởng của ma sát giữa puly uốn và ống Kết luận của nghiên cứu: 1. Ma sát giữa dụng cụ uốn và ống đáng kể và ảnh hưởng phức tạp trong quá trình uốn. Giảm được ma sát này là giúp cải thiện chất lượng chi tiết gia công.

Trang 24 Luận văn Thạc sĩ 2. Ảnh hưởng đáng kể trong phần biến dạng là lỏi uốn, thanh đỡ dọc, thah trượt dọc đến puly uốn và phần mỏng là lỏi uốn, thanh trượt dọc, thanh đỡ dọc và puly uốn. Ảnh hưởng ma sát giữa dụng cụ uốn và ống trên phần mỏng nhỏ hơn phần biến dạng. Lỏi uốn và thanh đỡ nên được bôi trơn tốt để đảm bảo ma sát giữa chúng và ống đủ nhỏ.

Trong lý thuyết thì hệ số ma sát của thanh trượt dọc, puly uốn và ống nên tăng. Nhưng nếu chúng lớn thì thanh trượt dọc, puly uốn làm mòn nhanh ống và mòn khốc liệt nên không cần bôi trơn chúng.5 Nghiên cứu về thiết kế và chế tạo khuôn uốn tự động: Khuôn uốn phải thỏa mãn hai tiêu chí sau: + Khuôn uốn đủ bền chịu được tải trọng uốn. + Hình dáng khuôn uốn phải chuẩn. Từ hai tiêu chí trên tác giả xây dựng mô hình tóan dưới dạng tham số cho từng biên dạng uốn cụ thể.

Tác giả tích hợp kỹ thuật lập trình giải quyết các liên kết và đồng nhất các tham số của một dạng uốn mà làm việc có thể tạo ra biến dạng dư cho các bộ phận máy. Cuối cùng chúng tôi thực hiện kiểm nghiệm phân tích độ bền việc thiết kế khuôn uốn để thiết kế khuôn uốn có khả năng chịu được lực uốn. Xuất phát từ nhu cầu thực tế như vậy, đòi hỏi các nhà sản xuất luôn hướng đến thị trường to lớn này. Họ luôn có ý quan tâm, để đạt được những sản phẩm có yêu cầu về tính thẩm mỹ cao, giá thành hạ, để cạnh tranh với các sản phẩm khác trên thị trường thì các nhà sản xuất cũng phải tính đến việc trang bị cho phân xưởng mình các thiết bị sản xuất tự động.

Do chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, vì muốn tạo ra được các chi tiết ống có chiều dày mỏng thì cần phải có thiết bị chuyên dùng để thực hiện gia công biến dạng dẻo các loại ống từ thẳng thành những hình dáng bất kỳ theo yêu cầu của từng chi tiết cụ thể và ứng dụng trong từng lĩnh vực cụ thể. Bởi lẽ đó các nước có nền công nghiệp tiên tiến Đài Loan, Mỹ, Nhật bản… họ đã nhiều năm nghiên cứu, cho đến nay hầu như họ đã cho ra đời nhiều các thiết bị máy CNC uốn ống có thành mỏng chuyên dùng. Các vật liệu sẽ được chế tạo cho phù hợp với chi tiết phù hợp với thiết bị trong từng điều kiện làm việc nhất định. Trang 25 Luận văn Thạc sĩ Một số vật liệu cụ thể như: thép mạ kẽm, thép CT3, đồng thau, hợp kim nhôm, thép không gỉ … 1.2 Một số tính năng của máy uốn tự động.

Máy uốn ống, uốn tuýp tròn sử dụng động cơ điện và diều khiển bằng bàn đạp chân hoặc bằng nút điều khiển cho phép góc uốn ống đến 190o. Máy sử dụng puly và cữ chắn dưới giúp cho ống uốn không bị bẹp và góc uốn đạt độ chính xác. Máy có thiết kế thêm bộ phận tay dẫn ống phía sau. Giúp cho phần ống không bị uốn cong không bị biến dạng, làm việc có tính ổn định cao và linh kiện thay thế đơn giản.10: Máy uốn tuýp 190 độ Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật máy uốn- Model YS Model YS-25 YS-42 YS-76 YS-114 Ø ống lớn nhất 25x2mm 42x2mm 76x6mm 114x10mm Bán kính uốn 120mm 200 500 600 max Góc uốn 0-190 O 0-190 O 0-190 O 0-190 O Độ cao tâm 950mm 1000mm 1050mm 1100mm Độ dài ống dẫn 1000mm 1400mm optional Optional Tốc độ uốn 4r/min 3.5 Trang 26 Luận văn Thạc sĩ Động cơ 0.5KW 11KW Trọng lượng máy 200kgs 350kgs 1500kgs 2500kgs 1.2 Máy uốn thủy lực có cữ chắn sau.

Model RBH có chức năng tiên tiến, hiện đại, đặc biệt được thiết kế cho uốn ống với mức độ cao hơn, phức tạp và khó hơn. Hệ thống đỡ thuỷ lực được cấp bằng sáng chế thiết kế nhằm đặt lên vật chuyên chở. Trong khi uốn ống, vật mang sẽ giữ định vị và đẩy vật uốn làm tăng tốc độ uốn. Vì thế mà máy có thể dễ dàng uốn dạng khó dưới những điều kiện tới hạn như: uốn bản mỏng, uốn góc hẹp hoặc hình oval.11: Thiết bị máy uốn ống thủy lực có cử chắn sau.2: Thông số kỹ thuật máy uốn ống thủy lực.

Thông số KT ĐVT 50TSR-RBH 65TSR-RBH 80TSR-RBH Khả năng uốn lớn Mm 50x3.(S=40kgf/mm2) Đường kính uốn max Mm 30~220 35~250 40~250 Chiều dài vượt tâm max Mm 2200 2500 3000 Kích thước tổng thể 4.5 Tổng trọng lượng Kg 2000 3000 4000 Trang 27 Luận văn Thạc sĩ 1.3 Máy uốn ống thủy lực 1 đầu CNC TSR series là máy uốn tuýp thuỷ lực một đầu có màn hình cảm ứng với trục ăn dao Y & trục quay B với 2 trục động cơ servo và trục uốn C điều khiển bằng động cơ thuỷ lực. Máy đạt năng suất cao và vận hành linh hoạt dùng trong sản xuất các linh kiện máy móc hoặc ô tô, đồ nội thất thời trang, thiết bị chính xác, ống thuỷ lực.12: Máy uốn ống một đầu thủy lực CNC- model TSR Bảng 1.3: Thông số kỹ thuật TSR Thông số kỹ thuật Đ/vị 38TSR 50TSR 65TSR 80TSR Khả năng uốn max mm 38.(S=40kgf/mm2) Đường kính uốn (max) mm 25~150 30~220 35~250 40~250 Chiều dài vượt tâm (max) mm 2200 2200 2500 3000 Kích thước tổng thể 3.5 Tổng trọng lượng kg 1400 2500 3000 4000 1.2 Trong nước: Trong điều kiện hiện nay ở Việt Nam thì nhu cầu chế tạo các chi tiết nói trên cũng rất cần thiết. Ở các thành phố lớn như TP. Hồ Chí Minh, các khu công nghiệp đã sử dụng các thiết bị uốn ống hiện đại được nhập khẩu từ các nước tiên tiến: Nhật, Đài Loan, Trung Quốc ….

Tuy nhiên thiết bị này thích hợp cho các công ty, xí nghiệp sản xuất hàng loạt. Tại đây mới khả năng xuất khẩu tiêu thu hết các sản Trang 28 Luận văn Thạc sĩ phẩm của thiết bị gia công biến dạng tự động. Vấn đề đặt ra nhu cầu tại địa phương như các tỉnh miền tây thì cũng rất cần các thiết bị này, thế nhưng do nhu cầu không lớn mà trang bị thiết bị hiện đại quá đắt tiền. Điều này chắc chắn rằng các Doanh nghiệp vừa và nhỏ không thể đầu tư thiết bị như vậy.

Không thích ứng với thị trường tiêu thụ, dẫn đến việc thu hồi vốn rất chậm.