Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Ngành công nghiệp luyện kim và cơ khí chế tạo tại Việt Nam đối mặt với tình trạng mất cân đối kéo dài giữa sản xuất phôi và thép thành phẩm. Theo số liệu của Bộ Công nghiệp và Hiệp hội Thép Việt Nam, phần lớn các chủng loại thép cao cấp như thép tấm cán nóng, thép ống chất lượng cao phục vụ các công trình quy mô lớn đều phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu (trên 93% nhập từ Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc). Riêng năm 2006, Việt Nam nhập khẩu 2.586 triệu tấn thép trị giá 1.264 tỷ USD; quý I/2007 tiếp tục nhập khẩu 1.124 triệu tấn với giá trị 572 triệu USD. Trong khi đó, nhu cầu sử dụng kết cấu thép hình và thép ống kích thước lớn ngày càng gia tăng trong các lĩnh vực: xây dựng công nghiệp (nhà xưởng, giàn khoan dầu khí), giao thông (dự án nâng cấp 44 cầu tuyến đường sắt Hà Nội – TP. Hồ Chí Minh), chế tạo ô tô (ước tính 9 doanh nghiệp FDI cần tối thiểu 90.000 sản phẩm ống uốn/năm) và trang trí nội ngoại thất.
Tuy nhiên, các máy uốn ống trên thị trường nội địa chủ yếu là thiết bị thủ công quy mô nhỏ (như máy uốn 6 đầu trục của xưởng Lâm Quân công suất 1,1 kW, hoặc máy uốn của Công ty Khataco uốn đường kính tối đa $\Phi 42\text{ mm}$) với độ chính xác hạn chế, không uốn được phôi cỡ lớn và dễ gây biến dạng, phế phẩm. Các dòng máy hiện đại nhập khẩu (như máy uốn điện thủy lực RAPID T10/M hay máy uốn CNC 32B8 lập trình trên Bendtech EZ3D) có giá thành quá cao, vượt quá khả năng đầu tư của phần lớn doanh nghiệp vừa và nhỏ.
Đồ án được thực hiện nhằm giải quyết bài toán thiết kế hệ thống máy uốn cơ khí kết hợp thủy lực để gia công thép ống cỡ lớn với chi phí chế tạo phù hợp năng lực trong nước.
- Mục tiêu nghiên cứu: Tính toán, thiết kế hoàn chỉnh hệ thống máy uốn cong thép ống sử dụng nguyên lý 3 trục lăn phục vụ nhu cầu chế tạo kết cấu cơ khí và xây dựng.
- Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Khảo sát tổng quan công nghệ uốn ống trên thế giới và thực trạng tại Việt Nam.
- Đánh giá, so sánh các phương án truyền lực (tay, cơ khí, thủy lực, khí nén) để lựa chọn cấu kết tối ưu.
- Xác định cơ sở lý thuyết biến dạng dẻo, tính toán thông số động học, động lực học, lực uốn và chọn động cơ dẫn động.
- Thiết kế chi tiết hệ dẫn động cơ khí gồm bộ truyền đai, bộ truyền xích, hộp giảm tốc hai cấp trục trụ răng thẳng, tính toán trục và then.
- Tính toán sơ bộ các thông số làm việc của hệ thống thủy lực ép trục uốn.
- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng: Máy uốn cong thép ống kiểu 3 con lăn (2 con lăn dẫn động cố định và 1 con lăn ép di động).
- Phạm vi thông số kỹ thuật đầu vào: Thép ống tròn vật liệu CT38, đường kính ngoài $\Phi = 200\text{ mm}$, chiều dài phôi $L = 6000\text{ mm}$ (6 m), bán kính cung uốn $R = 10 \div 20\text{ m}$.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Nghiên cứu áp dụng các quy chuẩn tính toán sức bền vật liệu, cơ học lý thuyết và tiêu chuẩn thiết kế chi tiết máy của Việt Nam (TCVN 1651-85):
- Khung lý thuyết biến dạng kim loại: Phân tích ba trạng thái biến dạng nối tiếp nhau dưới tác dụng của tải trọng (biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo kèm đàn hồi và biến dạng phá hủy). Dựa trên đường cong ứng suất - biến dạng ($\sigma - \varepsilon$) của vật liệu dẻo và biểu đồ $P - \Delta l$ của vật liệu giòn để xác định giới hạn chảy $\sigma_{ch} = 235\text{ N/mm}^2$ và độ bền kéo $\sigma_b = 380\text{ N/mm}^2$ của thép CT38.
- Lý thuyết uốn và lớp trung hòa biến dạng:
- Xác định bán kính lớp trung hòa biến dạng: Đối với tiết diện tròn khi bán kính uốn $r \ge 1,5d$, lớp trung hòa đi qua tâm tiết diện phôi: $\rho_{bd} = r + d/2$.
- Tính toán bán kính uốn tối thiểu cho phép ($R_{min} \approx 30\text{ mm}$) nhằm ngăn ngừa nứt gãy thớ kim loại ngoài cùng chịu kéo.
- Phân tích hiện tượng đàn hồi sau uốn, thiết lập quan hệ hiệu chỉnh bán kính chày $r_{chay} = r' / (1 + 3k_0)$ với hệ số uốn $k_0 = (\sigma_s \cdot r') / (E \cdot s)$ và xác định góc hồi phục đàn hồi $\beta$.
- Động học uốn: Khảo sát chuyển động của điểm trên phôi trong hệ tọa độ cực $(r, \theta)$, xác định vận tốc tiếp tuyến $v = R\omega$ và các thành phần gia tốc tiếp $a_t = R\varepsilon$, gia tốc pháp $a_n = R\omega^2$.
- Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu chuyên ngành, phương pháp giải tích kỹ thuật cơ khí để xác định ứng suất uốn cực đại, mô men uốn $M_{u\max}$ và áp lực uốn $P$; kết hợp phương pháp tiêu chuẩn hóa trong tra cứu, lựa chọn chi tiết máy theo sổ tay công nghệ chế tạo máy.
- Nguồn dữ liệu: Sổ tay thiết kế cơ khí, giáo trình chi tiết máy, bài giảng sức bền vật liệu và số liệu thống kê từ Bộ Công nghiệp, Tổng công ty Thép Việt Nam (VSC), Hiệp hội Thép Việt Nam.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về máy uốn ống phổ biến hiện nay
Chương này phân tích vai trò kinh tế - kỹ thuật của sắt thép trong công nghiệp và xây dựng, đồng thời tổng hợp các dòng máy uốn trên thế giới và tại Việt Nam:
- Thống kê năng lực sản xuất phôi/thép thành phẩm nội địa: Nhà máy thép cán nguội Phú Mỹ (VSC) năm 2005 công suất 205.000 tấn/năm mới đáp ứng 25% nhu cầu; nhu cầu thép tấm đạt 5 triệu tấn (2010) và 7,5 triệu tấn (2015).
- Khảo sát các công nghệ uốn quốc tế: Máy uốn bán tự động dẫn động thủy lực điều khiển bàn đạp chân; máy uốn động cơ điện góc uốn đến $190^\circ$; máy uốn điện thủy lực RAPID T10/M dùng piston đẩy khuôn; máy uốn tự động CNC 32B8 mô phỏng không gian 3 chiều trên phần mềm Bendtech EZ3D lưu trữ hơn 1.000 chương trình.
- Đánh giá hiện trạng trong nước: Máy uốn 6 đầu trục của xưởng Lâm Quân ($700 \times 700 \times 600\text{ cm}$, nặng 80 kg, 1,1 kW) và máy uốn cơ sở Khataco uốn ống $\Phi 42\text{ mm}$ góc $180^\circ$. Khẳng định sự thiếu hụt thiết bị uốn cỡ lớn $\Phi 200\text{ mm}$ chế tạo nội địa.
Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế
Chương này đưa ra các yêu cầu kỹ thuật đối với thiết bị (chỉ tiêu hiệu quả sử dụng, khả năng làm việc ổn định, độ tin cậy, an toàn vận hành, tính công nghệ và tính kinh tế), đồng thời phân tích ưu nhược điểm của 4 phương án truyền lực:
| Phương án | Nguyên lý hoạt động | Ưu điểm | Nhược điểm | Đánh giá lựa chọn |
|---|---|---|---|---|
| 1. Cơ cấu truyền lực bằng tay | Dùng tay quay gá trên thân máy, bánh xe di động lăn quanh bánh xe cố định uốn phôi. | Cấu tạo đơn giản, chi phí thấp, phù hợp sản xuất đơn chiếc. | Năng suất thấp, tốn sức người, độ chính xác kém, sai số đàn hồi lớn. | Loại bỏ (không khả thi cho phôi $\Phi 200\text{ mm}$). |
| 2. Cơ cấu truyền lực bằng cơ | Động cơ điện truyền động qua bộ truyền đai, hộp giảm tốc, bộ truyền xích dẫn động 2 con lăn cố định; con lăn di động ép tịnh tiến. | Kết cấu cơ khí đơn giản, chi phí chế tạo thấp, dễ gia công sửa chữa trong nước. | Lực ép phân bố chưa hoàn toàn đồng đều, chuyên môn hóa trung bình. | Được chọn (kết hợp cơ khí dẫn động và thủy lực ép). |
| 3. Cơ cấu truyền lực bằng thủy lực | Động cơ thủy lực kết hợp xi lanh dẫn động cánh tay quay uốn phôi qua bản lề chữ U và bu-lông ép. | Lực tác dụng êm, đồng đều, độ chính xác cao, ít khuyết tật uốn. | Kết cấu phức tạp, chi phí cao, đòi hỏi bảo dưỡng chuyên sâu. | Cơ sở phát triển cho giai đoạn sau. |
| 4. Cơ cấu truyền lực bằng khí nén | Piston khí nén kết hợp đĩa phân độ đẩy khuôn uốn động và khuôn uốn tĩnh. | Tác động êm, năng suất và độ chính xác tương đối tốt. | Hệ thống van điều khiển phức tạp, giá thành cao, ít ứng dụng uốn lớn. | Loại bỏ. |
Chương 3: Thiết kế hệ thống truyền động
Chương này tập trung toàn bộ các bước tính toán động học và động lực học của máy:
- Xác định lực uốn và chọn động cơ: Với vật liệu ống CT38 ($\sigma_{ch} = 235\text{ N/mm}^2$), tính toán lực uốn yêu cầu $P \approx 115,2\text{ kN}$. Vận tốc uốn thiết kế $v = 0,05\text{ m/s}$, tốc độ quay con lăn $n_{cl} \approx 11\text{ v/ph}$, công suất làm việc trên con lăn $N_{lv} = 5,76\text{ kW}$ (đạt năng suất tối ưu $Q = 30\text{ ống/h}$). Hiệu suất chung toàn hệ thống $\eta_{ht} = 0,87$. Công suất yêu cầu $N_{ycdc} = 8,79\text{ kW}$. Lựa chọn động cơ điện xoay chiều 3 pha 3K160S4 ($N_{dm} = 11\text{ kW}$, $n = 1460\text{ v/ph}$, $\eta = 87,5%$, $\cos\theta = 0,87$, khối lượng 106 kg).
- Phân phối tỷ số truyền: Tỷ số truyền chung $i_{ch} \approx 130$. Tỷ số truyền ngoài hộp giảm tốc: bộ truyền đai $i_d = 2,5$, bộ truyền xích $i_x = 2$. Tỷ số truyền hộp giảm tốc hai cấp $i_{hgt} = 26$ (cấp 1: $i_1 = 4$; cấp 2: $i_2 = 6,5$).
| Thông số trục | Trục I | Trục II | Trục III | Trục IV = V (Trục con lăn) |
|---|---|---|---|---|
| Công suất $N$ (kW) | 10,83 | 10,35 | 9,88 | 9,15 |
| Tỷ số truyền $i$ | 4,0 | 6,5 | 2,0 | - |
| Tốc độ quay $n$ (v/ph) | 584 | 146 | 22,4 | 11,2 |
| Mô men xoắn $M_x$ (N.mm) | 178.081 | 683.831 | 4.209.732 | 7.799.330 |
- Thiết kế bộ truyền đai: Chọn đai thang thường loại B. Đường kính bánh đai nhỏ $d_1 = 224\text{ mm}$, khoảng cách trục $a = 1640,4\text{ mm}$, chiều dài đai $L = 4600\text{ mm}$, góc ôm $\alpha_1 = 167,9^\circ$, lực vòng $F_t = 643,2\text{ N}$, lực căng ban đầu $F_0 = 480\text{ N}$, lực tác dụng lên trục $F_r = 954,6\text{ N}$.
- Thiết kế bộ truyền xích: Chọn xích con lăn, số răng đĩa xích dẫn $Z_1 = 25$, đĩa bị dẫn $Z_2 = 50$, bước xích $p = 38\text{ mm}$, đường kính chốt $d_c = 11\text{ mm}$, chiều dài ống $B = 35\text{ mm}$, số mắt xích $X = 118$, khoảng cách trục $a = 1521,9\text{ mm}$, đường kính vòng chia $D_1 = 303,19\text{ mm}$ và $D_2 = 605,18\text{ mm}$.
- Thiết kế cặp bánh răng cấp nhanh (Hộp giảm tốc): Vật liệu thép 40Cr tôi cải thiện (bánh dẫn HB1 = 330, bánh bị dẫn HB2 = 300). Ứng suất tiếp xúc cho phép $[\sigma_H] = 554\text{ MPa}$, ứng suất uốn cho phép $[\sigma_{F1}] = 330\text{ MPa}$, $[\sigma_{F2}] = 300\text{ MPa}$. Mô đun pháp $m = 3\text{ mm}$, số răng $Z_1 = 30$, $Z_2 = 120$, khoảng cách trục $a_w = 225\text{ mm}$, bề rộng vành răng $b_2 = 67,5\text{ mm}$, $b_1 = 75\text{ mm}$.
- Thiết kế cặp bánh răng cấp chậm (Hộp giảm tốc): Vật liệu thép 40Cr tôi cải thiện (HB3 = 350, HB4 = 320). Ứng suất tiếp xúc cho phép $[\sigma_H] = 580,8\text{ MPa}$, ứng suất uốn $[\sigma_{F3}] = 320\text{ MPa}$. Mô đun pháp $m = 4,5\text{ mm}$, số răng $Z_3 = 24$, $Z_4 = 156$, khoảng cách trục tiêu chuẩn $a_w = 400\text{ mm}$, bề rộng vành răng $b_4 = 120\text{ mm}$, $b_3 = 125 \div 130\text{ mm}$.
- Tính toán trục và then: Vật liệu trục thép C45.
- Trục I: Đường kính vị trí lắp bánh đai $d = 35\text{ mm}$. Phản lực gối đỡ: $Y_B = 1280,12\text{ N}$, $Y_D = 983,68\text{ N}$, $X_B = 2581,7\text{ N}$, $X_D = 1658,5\text{ N}$. Chọn then bằng $b = 10\text{ mm}, h = 8\text{ mm}, t = 5\text{ mm}$, chiều dài $l_t = 45\text{ mm}$; kiểm nghiệm bền dập đạt $\sigma_d = 45,2\text{ MPa} < [\sigma_d] = 150\text{ MPa}$, bền cắt $\tau_c = 18,8\text{ MPa} < [\tau_c] = 120\text{ MPa}$.
- Trục II: Đường kính vị trí lắp ổ lăn $d = 56\text{ mm}$, then $b = 18\text{ mm}, h = 11\text{ mm}, t_1 = 7\text{ mm}, t_2 = 4,4\text{ mm}$.
Chương 4: Thiết kế hệ thống thủy lực
Trình bày sơ đồ nguyên lý mạch thủy lực ép con lăn di động uốn cong thép ống. Thiết lập các bước tính toán thông số kỹ thuật cho xi lanh thủy lực chịu lực ép uốn, tính toán lưu lượng dầu cấp cho xi lanh, xác định đường kính trong các tuyến ống (đường ống hút, đường ống đẩy, đường ống hồi) và quy trình chọn bơm nguồn cung cấp áp lực cho hệ thống.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống máy uốn cong 3 trục lăn được cấu trúc hóa theo sơ đồ dẫn động liên hoàn:
- Chuỗi truyền động động lực: Động cơ điện xoay chiều 3 pha (3K160S4, công suất 11 kW, tốc độ 1460 v/ph) $\rightarrow$ Bộ truyền đai thang loại B ($i_d = 2,5$) $\rightarrow$ Hộp giảm tốc hai cấp bánh răng trụ răng thẳng ($i_{hgt} = 26$) $\rightarrow$ Bộ truyền xích con lăn ($i_x = 2$) $\rightarrow$ Trục con lăn cố định IV và V (tốc độ làm việc 11,2 v/ph).
- Hệ thống tạo hình uốn: Gồm hai con lăn chủ động phía dưới quay cùng chiều để tịnh tiến phôi thép, và một con lăn ép phía trên chuyển động tịnh tiến thẳng đứng dưới tác động của cơ cấu ép (xi lanh thủy lực) tạo độ võng $t$ cho ống thép. Khi hai con lăn dưới quay, ống thép di chuyển hết chiều dài 6 m, tạo cung cong bán kính $R = 10 \div 20\text{ m}$. Đảo chiều quay động cơ để uốn lặp lại cho đến khi đạt đúng bán kính thiết kế.
- Tính toán cơ kết cấu chi tiết máy:
- Vật liệu chế tạo bánh răng: Thép hợp kim 40Cr tôi cải thiện đạt độ cứng bề mặt $300 \div 350\text{ HB}$, đảm bảo độ bền mỏi tiếp xúc và chịu tải va đập.
- Vật liệu chế tạo trục: Thép cacbon kết cấu C45, kiểm nghiệm ứng suất xoắn sơ bộ $[\tau] = 20\text{ MPa}$.
- Hệ thống thủy lực ép trục: Bố trí cụm bơm nguồn, khối van phân phối hai chiều và xi lanh ép thủy lực tạo lực uốn định mức $115,2\text{ kN}$.
Kết quả và đóng góp
- Kết quả tính toán kỹ thuật:
- Xác định đầy đủ bảng thông số động học của hệ dẫn động máy uốn từ động cơ (1460 v/ph) đến trục công tác (11,2 v/ph) với tỷ số truyền chung xấp xỉ 130.
- Tính toán chính xác thông số hình học và độ bền của 2 bộ truyền ngoài (bộ truyền đai thang $L = 4600\text{ mm}$, bộ truyền xích con lăn $p = 38\text{ mm}, X = 118$ mắt) và 2 cặp bánh răng hộp giảm tốc ($a_{w1} = 225\text{ mm}, m_1 = 3\text{ mm}$; $a_{w2} = 400\text{ mm}, m_2 = 4,5\text{ mm}$).
- Đảm bảo kiểm nghiệm độ bền dập và bền cắt của then trên các trục I, II đạt hệ số an toàn cao theo tiêu chuẩn chế tạo máy.
- Đóng góp của đồ án:
- Cung cấp một phương án thiết kế máy uốn ống thép cỡ lớn ($\Phi 200\text{ mm}$, chiều dài 6 m) có tính khả thi cao về mặt chế tạo, sử dụng các linh kiện và vật liệu tiêu chuẩn phổ biến trong nước (thép CT38, C45, 40Cr, động cơ 3K160S4).
- Giảm thiểu chi phí đầu tư thiết bị uốn cỡ lớn so với việc nhập khẩu máy chuyên dụng từ nước ngoài.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Chưa tiến hành chế tạo mô hình thực nghiệm thực tế để kiểm chứng độ võng đàn hồi dư trên các dải vật liệu thép ống có độ dày thành ống khác nhau.
- Mức độ tự động hóa của máy ở mức truyền động cơ khí cơ bản đảo chiều thủ công, chưa tích hợp hệ thống đo góc uốn tự động hoặc điều khiển số CNC.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Nghiên cứu ứng dụng động cơ thủy lực toàn phần cho các trục quay nhằm giảm thiểu triệt để khuyết tật uốn.
- Nghiên cứu lắp đặt hệ thống cảm biến quang học hoặc đầu phân độ điện tử để nâng cấp thành máy uốn bán tự động (NC) hoặc tự động hóa hoàn toàn bằng CNC.
Giá trị tham khảo
Tài liệu là nguồn tư liệu hữu ích cho sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Kỹ thuật Cơ khí và Kỹ thuật Cơ điện tử khi thực hiện đồ án môn học Chi tiết máy, đồ án Thiết kế hệ dẫn động cơ khí và Đồ án tốt nghiệp. Phần tính toán động lực học uốn ống tròn cỡ lớn, xác định biến dạng dẻo lớp trung hòa và thiết kế hộp giảm tốc hai cấp là nội dung có giá trị tham khảo trực tiếp cho các kỹ sư thiết kế máy công cụ uốn định hình kim loại tấm/ống.
Câu hỏi thường gặp
1. Thông số ban đầu của thép ống cần uốn trong đề tài là bao nhiêu?
Phôi uốn là thép ống tròn có đường kính ngoài $\Phi = 200\text{ mm}$, chiều dài $L = 6000\text{ mm}$ (6 m), bán kính cung uốn yêu cầu sau khi gia công đạt $R = 10 \div 20\text{ m}$.
2. Động cơ điện được chọn cho hệ thống máy uốn có thông số kỹ thuật như thế nào?
Động cơ được chọn là loại động cơ điện 3 pha không đồng bộ 3K160S4 có công suất định mức $N_{dm} = 11\text{ kW}$, tốc độ quay đồng bộ $n = 1460\text{ v/ph}$, hiệu suất $\eta = 87,5%$, hệ số công suất $\cos\theta = 0,87$ và khối lượng $106\text{ kg}$.
3. Lực uốn và công suất yêu cầu trên trục con lăn được xác định là bao nhiêu?
Lực uốn cần thiết tính toán được là $P \approx 115,2\text{ kN}$. Với vận tốc uốn thiết kế $v = 0,05\text{ m/s}$, công suất yêu cầu làm việc truyền cho con lăn là $N_{lv} = 5,76\text{ kW}$ (đạt năng suất $Q = 30\text{ ống/h}$).
4. Hộp giảm tốc của máy sử dụng loại bánh răng và vật liệu gì?
Hộp giảm tốc sử dụng 2 cặp bánh răng trụ răng thẳng với tỷ số truyền cấp một $i_1 = 4$ ($a_{w1} = 225\text{ mm}, m = 3\text{ mm}$) và cấp hai $i_2 = 6,5$ ($a_{w2} = 400\text{ mm}, m = 4,5\text{ mm}$). Cả bánh dẫn và bánh bị dẫn đều được chế tạo từ thép hợp kim 40Cr qua nhiệt luyện tôi cải thiện, đạt độ cứng bề mặt từ $300 \div 350\text{ HB}$.
5. Cơ chế khắc phục hiện tượng đàn hồi sau khi uốn được tác giả tính toán như thế nào?
Tác giả thiết lập công thức hiệu chỉnh bán kính cong của chày uốn $r_{chay} = r' / (1 + 3k_0)$ (với $k_0 = \frac{\sigma_s r'}{E s}$) và tính toán góc hồi phục đàn hồi $\beta$, từ đó bù trừ trực tiếp kích thước góc uốn và bán kính uốn trên cơ cấu ép để sản phẩm sau đàn hồi đạt đúng kích thước danh nghĩa.
Kết luận
Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán thiết kế máy uốn cong thép ống $\Phi 200 \times 6000$ sử dụng cơ cấu 3 trục lăn dẫn động cơ khí kết hợp ép thủy lực. Toàn bộ các thông số động học, kết cấu bộ truyền đai, bộ truyền xích, hộp giảm tốc hai cấp và độ bền trục - then đều được xác lập rõ ràng, thỏa mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo có giá trị cao cho việc chế tạo thiết bị uốn thép kết cấu cỡ lớn phục vụ ngành xây dựng và gia công cơ khí trong nước.