Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành cơ khí chế tạo đóng vai trò nền tảng trong việc cung ứng trang thiết bị, kết cấu và sản phẩm cho các ngành kinh tế. Các sản phẩm thép dây uốn định hình được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: từ ngành xây dựng (thép hình, bẻ đai, kiềng) đến công nghiệp dân dụng và mỹ nghệ (khung đèn trang trí nội thất, lồng chim, khung lưới gia dụng). Tuy nhiên, tại các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ ở Việt Nam, việc uốn thép vẫn chủ yếu dựa vào các phương pháp thủ công hoặc thiết bị uốn bằng tay tự chế. Cách làm này đòi hỏi nhiều nhân công, thời gian gia công kéo dài, năng suất thấp và độ đồng đều về kích thước không cao.

Trên thị trường hiện nay, các dòng máy uốn tự động kỹ thuật số (NC, CNC) có năng suất và độ chính xác cao phần lớn phải nhập khẩu nguyên chiếc từ nước ngoài với chi phí đầu tư rất lớn, vượt quá khả năng tài chính của các xưởng sản xuất nhỏ. Trong khi đó, các nghiên cứu và sản phẩm máy uốn tự chế tạo trong nước còn ít, thiết kế còn thô sơ hoặc tính năng tạo hình còn đơn điệu. Trước thực tế đó, đề tài "Thiết kế và chế tạo máy uốn thép định hình tự động" được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nhằm mục tiêu tạo ra mẫu máy có kết cấu nhỏ gọn, khả năng uốn linh hoạt, độ chính xác cao và giá thành chế tạo phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước.

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

  1. Đưa ra nguyên lý hoạt động của máy uốn thép định hình tự động;
  2. Tự động hóa quá trình cấp phôi, nắn thẳng và uốn thép liên tục thành nhiều dạng hình học khác nhau;
  3. Hoàn thiện bộ hồ sơ thiết kế cơ khí - điều khiển và chế tạo thành công một mẫu máy uốn định hình hoạt động ổn định, đạt hiệu quả làm việc;
  4. Xây dựng quy trình hướng dẫn vận hành, bảo trì máy và đề xuất định hướng phát triển thiết bị.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các cơ cấu uốn thép trên thị trường; quy trình tạo hình biến dạng kim loại; phôi thép dây carbon thấp có đường kính từ ∅2 mm đến ∅4 mm.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tính toán lý thuyết, thiết kế mô hình 3D, gia công chế tạo chi tiết, lắp ráp và chạy thực nghiệm máy uốn định hình tự động.
  • Phạm vi ứng dụng mục tiêu: Phục vụ các cơ sở gia công khung đèn trang trí nội thất và các sản phẩm gia dụng sử dụng thép uốn biên dạng phẳng (2D).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết biến dạng kim loại, đồ án dựa trên quy luật biến dạng dẻo của vật liệu thép thanh khi chịu uốn. Trong quá trình uốn góc kim loại, các thớ vật liệu nằm phía trong góc uốn (phía chày) chịu ứng suất nén và co ngắn lại theo phương dọc, trong khi các thớ vật liệu nằm phía ngoài (phía cối) chịu ứng suất kéo và dãn dài. Nằm giữa hai miền biến dạng kéo - nén là lớp trung hòa có chiều dài không đổi so với chiều dài ban đầu của phôi. Khi uốn thanh thép tròn có đường kính $d$, nếu bán kính uốn $r > 1,5d$ thì tiết diện ngang của dây thép vẫn giữ nguyên dạng tròn; nếu bán kính uốn nhỏ ($r < 1,5d$), tiết diện ngang của phôi sẽ bị biến dạng bẹp và chuyển thành hình oval.

Theo lý thuyết biến dạng dẻo của TS. Hà Minh Hùng và PGS. Đinh Bá Trụ, kim loại bắt đầu chuyển từ trạng thái biến dạng đàn hồi sang biến dạng dẻo khi ứng suất đạt tới giới hạn chảy $\sigma_{ch}$. Do đó, nhóm tác giả sử dụng mối quan hệ ứng suất trong miền đàn hồi liên hệ với $\sigma_{ch}$ để tính toán lực uốn nhỏ nhất tại thời điểm bắt đầu dẻo hóa, kết hợp nhân thêm hệ số cản $k$ để bù trừ các lực cản thực tế:

$$\sigma = \frac{M \cdot y}{I}$$

Trong đó $M$ là mô men uốn, $y$ là khoảng cách từ trục trung hòa đến thớ xa nhất ($y = d/2$ đối với thép tròn), $I$ là mô men quán tính mặt cắt ngang.

Đối với lực cắt phôi, điều kiện cắt đứt được xác định dựa trên ứng suất tiếp:

$$\tau = \frac{Q_y}{F} > [\tau_k] \Rightarrow Q_y > F \cdot [\tau_k]$$

Trong đó $Q_y$ là lực cắt tại tiết diện ngang, $F$ là diện tích mặt cắt ngang dây thép và $[\tau_k]$ là ứng suất tiếp cho phép của vật liệu. Lực đẩy của piston - xi lanh khí nén tác động lên cơ cấu cắt được tính bằng công thức $F = P \cdot A$ (với $P$ là áp suất khí nén và $A$ là diện tích bề mặt piston).

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng gồm hai nhóm:

  • Phương pháp phi thực nghiệm: Thu thập tài liệu chuyên ngành; phân tích mô hình hóa kết cấu dầm chịu tải siêu tĩnh bậc 1 bằng phương pháp lực (lập hệ cơ bản, trạng thái tĩnh định "m" và trạng thái đơn vị "k"); tính toán bền và mô phỏng số trên phần mềm.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo cơ khí các cụm chi tiết bằng phương pháp tiện, phay, cắt dây; lắp ráp mạch điện điều khiển và tiến hành chạy thực nghiệm uốn thép dây SAE 1008 thực tế để đánh giá sai số kích thước và tỷ lệ sản phẩm đạt yêu cầu.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án gồm: thông số cơ tính của thép dây carbon thấp mác SAE 1008 (thép qua ủ, hàm lượng carbon $C < 0,25%$, độ dẻo cao, giới hạn bền và độ cứng thấp); thông số kỹ thuật của các dòng máy uốn Phúc Long, BendTech-XD GT-WB-60-3A, YJ-2D-410; thông số ổ lăn SKF (SKF 6008, SKF 628-2Z) và thông số kỹ thuật thiết bị điều khiển Mitsubishi.

Thiết kế và chế tạo máy

Hệ thống máy uốn thép định hình tự động được thiết kế thành một khối thống nhất bao gồm các phân hệ cơ khí, phân hệ dẫn động khí nén và phân hệ điều khiển điện tử:

  1. Cơ cấu cấp phôi và kéo dây: Sử dụng một động cơ bước (Step Motor) kết hợp bộ truyền bánh răng và cặp bánh xe kẹp kéo để kéo cuộn phôi thép dây qua bộ nắn, định vị chính xác chiều dài từng đoạn phôi cần uốn.
  2. Cơ cấu dẫn hướng và nắn thẳng: Bố trí các con lăn nắn thép xếp so le theo hai phương thẳng đứng và nằm ngang. Hệ thống con lăn sử dụng các ổ bi đỡ chặn SKF 6008 và SKF 628-2Z, có cơ cấu vít điều chỉnh khe hở nhằm triệt tiêu độ cong biến dạng dư của cuộn dây thép trước khi đưa vào cụm uốn.
  3. Cơ cấu uốn tạo hình: Hoạt động dựa trên nguyên lý truyền động ăn khớp giữa bánh răng nhỏ và bánh răng lớn dẫn động đĩa quay mang chốt uốn. Phôi sau khi qua lỗ dưỡng được chốt uốn xoay quanh cối uốn trung tâm theo góc quay lập trình. Cụm uốn được gắn trên bàn trượt dẫn động bởi xi lanh khí nén nâng hạ, cho phép rút chốt uốn xuống phía dưới để phôi uốn di chuyển qua mà không bị vướng mắc.
  4. Cơ cấu cắt sản phẩm: Sử dụng một xi lanh khí nén tác động lực qua cánh tay đòn đòn bẩy truyền lực tới dao cắt, thực hiện hành trình dập cắt đứt phôi sau khi đã tạo hình hoàn tất.
  5. Khung chân máy: Hàn định hình từ thép hộp chữ nhật, bố trí các giá đỡ cụm uốn, cụm nắn phôi, cụm cắt và tủ điều khiển. Toàn bộ kết cấu khung được kiểm tra khối lượng, thể tích và phân tích ứng suất uốn, chuyển vị biến dạng bằng mô hình phần tử hữu hạn.
  6. Hệ thống điện và tự động hóa:
    • Bộ điều khiển lập trình trung tâm: PLC Mitsubishi FX1N-60MT (đầu ra Transistor) chịu trách nhiệm phát xung tốc độ cao điều khiển động cơ bước và kích hoạt van điện từ khí nén.
    • Giao diện vận hành: Màn hình cảm ứng HMI Mitsubishi GS2107-WTBD giao tiếp trực tiếp với PLC qua cổng truyền thông, hiển thị trang thiết lập thông số kích thước, góc uốn và trang điều khiển giám sát trạng thái máy.
    • Cơ cấu chấp hành và cảm biến: Hai động cơ bước điều khiển độc lập cụm kéo và cụm uốn; cảm biến tiệm cận từ tính xác định vị trí gốc của cơ cấu; hệ thống nút bấm Start/Stop và bộ nguồn tổ ong 24V DC, 5V DC cấp nguồn nuôi cho mạch điều khiển.
  7. Phần mềm ứng dụng trong thiết kế và chế tạo:
    • Autodesk Inventor Professional 2022: Thiết kế mô hình 3D, lắp ráp tổng thể, phân tích ứng suất FEA và kiểm tra chuyển vị.
    • AutoCAD Mechanical 2022: Bóc tách bản vẽ 2D phục vụ gia công cơ khí chính xác và lập trình cắt dây.
    • MDSolids 3.5: Tính toán biểu đồ nội lực ($M_x, Q_y$), kiểm nghiệm bền trục và thanh giằng.
    • GX Works2: Lập trình sơ đồ bậc thang (Ladder Diagram) cho PLC FX1N-60MT.
    • GT Designer3: Thiết kế giao diện đồ họa cho màn hình cảm ứng HMI.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này nêu bật tính cấp thiết của việc tự động hóa công đoạn uốn thép dây trong bối cảnh các doanh nghiệp gia công trong nước chịu sức ép lớn về chi phí máy móc nhập khẩu. Đồ án xác lập ý nghĩa khoa học trong việc tính toán lực uốn biến dạng dẻo, giải bài toán kết cấu siêu tĩnh, đồng thời nêu rõ ý nghĩa thực tiễn giúp giảm chi phí sản xuất khung trang trí nội thất. Chương 1 cũng trình bày 4 mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu là phôi thép carbon thấp đường kính ∅2 mm - ∅4 mm, phạm vi thực hiện và phương pháp tiếp cận kết hợp giải tích lý thuyết với chế tạo thực nghiệm.

Chương 2: Tổng quan

Tác giả khảo sát các công nghệ uốn thép thủ công và máy uốn chuyên dụng hiện hành. Tại thị trường trong nước, đồ án phân tích máy uốn định hình của Công ty Phúc Long (sử dụng cụm uốn con lăn tịnh tiến và dao cắt xi lanh, hạn chế về biên dạng sản phẩm) và máy uốn 3D của Công ty Lương Sơn (công suất 9 kW, độ chính xác ±0,2 mm, góc uốn nhỏ nhất R5, kích thước máy 2000 x 800 x 1200 mm). Về nghiên cứu ngoài nước, tác giả khảo sát máy uốn CNC 2D BendTech-XD model GT-WB-60-3A (sử dụng động cơ servo Panasonic, bộ giảm tốc Roster, cụm uốn nâng hạ linh hoạt) và model YJ-2D-410 xuất xứ Trung Quốc. Qua so sánh, nhóm rút ra định hướng phát triển mẫu máy nhỏ gọn, uốn được nhiều góc độ linh hoạt với chi phí chế tạo thấp.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 3 trình bày quy trình công nghệ sản xuất thép uốn định hình: từ nắn thẳng, uốn tạo hình, cắt đứt đến xử lý nhiệt và xi mạ bề mặt. Tác giả khảo sát đặc tính cơ lý của phôi thép dây SAE 1008 (thép carbon thấp $C < 0,25%$, độ dẻo cao, dễ gia công áp lực). Nội dung chương đi sâu vào bản chất biến dạng dẻo, vị trí lớp trung hòa và hiện tượng méo tiết diện tròn khi bán kính uốn $r < 1,5d$. Dựa trên tài liệu lý thuyết biến dạng dẻo kim loại của TS. Hà Minh Hùng và PGS. Đinh Bá Trụ, chương này thiết lập công thức xác định lực uốn nhỏ nhất dựa trên giới hạn chảy $\sigma_{ch}$ và hệ số thực nghiệm $k$, công thức ứng suất tiếp cắt đứt phôi $\tau = Q_y / F$ và công thức tính lực đẩy xi lanh khí nén $F = P \cdot A$. Cuối chương giới thiệu bộ công cụ phần mềm kỹ thuật gồm Inventor 2022, AutoCAD 2022, MDSolids 3.5, GX Works2 và GT Designer3.

Chương 4: Phương án và lựa chọn phương án thiết kế

Nhóm tác giả đề xuất và phân tích 3 phương án thiết kế nguyên lý cho máy:

  • Phương án 1: Bộ uốn dùng cơ cấu bánh răng dẫn động con lăn uốn; bộ cắt điều khiển bằng xi lanh; bộ kéo và bộ nắn dây tách riêng, dẫn động độc lập bằng động cơ bước; toàn bộ hệ thống liên kết qua PLC.
  • Phương án 2: Uốn phôi bằng xi lanh khí nén liên kết qua cánh tay đòn uốn; bộ cắt dùng xi lanh; bộ kéo nắn dùng động cơ bước độc lập.
  • Phương án 3: Định hình phôi bằng hệ thống buli kết hợp bộ tăng chỉnh nâng hạ thủ công; cắt bằng xi lanh; kéo nắn dùng động cơ bước.

Dưới đây là bảng so sánh chi tiết giữa 3 phương án thiết kế được tổng hợp trong văn bản:

Tiêu chí so sánh Phương án 1 (Cơ cấu bánh răng) Phương án 2 (Xi lanh - tay đòn) Phương án 3 (Buli tăng chỉnh)
Khả năng tạo hình Uốn được nhiều loại hình (vuông, tròn, đa giác...) Chỉ uốn được các hình có góc cạnh Chỉ uốn được biên dạng hình tròn
Độ chính xác Độ chính xác của chi tiết cao Độ chính xác không cao Độ chính xác không cao
Đặc điểm kết cấu Thiết kế nhỏ gọn Dễ dàng thiết kế và gia công Dễ dàng thiết kế và gia công
Độ phức tạp chế tạo Yêu cầu cao trong thiết kế và gia công bộ truyền Yêu cầu gia công trung bình Yêu cầu gia công đơn giản

Căn cứ vào 4 tiêu chí lựa chọn: uốn đa dạng loại hình, độ chính xác sản phẩm cao, kết cấu nhỏ gọn và phù hợp giá thành sản xuất trong nước, nhóm nghiên cứu đã quyết định chọn Phương án 1 làm phương án chế tạo chính thức.

Chương 5: Thiết kế máy

Chương này thể hiện toàn bộ các bước tính toán thiết kế chi tiết:

  • Thiết kế cơ khí: Tính toán cụm uốn gồm cặp bánh răng ăn khớp, trục giữ, bánh quay và ổ lăn; mô hình hóa trạng thái chịu lực của phôi theo sơ đồ hệ siêu tĩnh bậc 1, giải bằng phương pháp lực thông qua hệ cơ bản và các biểu đồ mô men $M_x^m, M_x^k$ để tìm phản lực gá đặt và lực uốn; kiểm nghiệm ứng suất và độ võng phôi trên Inventor. Tính toán lực cắt của cánh tay đòn, từ đó xác định kích thước nòng xi lanh khí nén sinh lực cắt. Tính toán bộ nắn thẳng dây, kiểm nghiệm độ bền trục nắn, lựa chọn ổ lăn SKF 6008 và SKF 628-2Z. Tính toán cụm con lăn kéo dẫn phôi và kết cấu khung chân máy từ thép hộp chịu tải trọng tĩnh.
  • Thiết kế hệ thống điện và điều khiển: Lựa chọn khí cụ điện bao gồm PLC Mitsubishi FX1N-60MT, 2 động cơ bước và driver điều khiển, cảm biến tiệm cận, nút Start, nút Stop, bộ nguồn tổ ong 24V và 5V. Lập trình giải thuật điều khiển tự động chu trình máy bằng phần mềm GX Works2 và xây dựng giao diện vận hành trên HMI GT Designer3.

Chương 6: Chế tạo máy

Tác giả trình bày quá trình gia công thực tế các chi tiết cơ khí: sử dụng máy tiện, máy phay và máy cắt dây để chế tạo bánh răng nhỏ, bánh răng lớn, bánh quay, bạc lót, tấm giữ trục, thân bộ nắn dây, bánh dẫn hướng và dao cắt. Tiếp đó là công đoạn lắp ráp hoàn thiện cơ cấu nắn, cụm kéo phôi, cụm uốn và cơ cấu cắt lên khung máy. Phần điện được tiến hành lắp ráp tủ điện điều khiển, bố trí nguồn tổ ong, driver động cơ bước, PLC, đấu nối dây tín hiệu cảm biến và nút nhấn theo sơ đồ nguyên lý, sau đó nạp chương trình điều khiển vào bộ nhớ PLC.

Chương 7: Lắp ráp và vận hành

Chương 7 trình bày quá trình chạy thực nghiệm máy với thép dây SAE 1008 đường kính từ 2 mm đến 4 mm. Tác giả tiến hành uốn thử các biên dạng 2D đã định trước nhằm đánh giá sai lệch kích thước, kiểm tra hoạt động của cơ cấu cắt và bộ kéo phôi. Đồ án đưa ra biểu đồ thống kê sản phẩm lỗi, chỉ ra các nguyên nhân dẫn đến phế phẩm (do lực kẹp bánh kéo chưa đều hoặc độ thẳng sau nắn chưa triệt để). Đồng thời, chương này cung cấp tài liệu hướng dẫn vận hành chi tiết: chức năng các phím điều khiển trên màn hình HMI, thao tác chỉnh định thông số ban đầu và quy trình khởi động, vận hành tự động và dừng máy an toàn.

Chương 8: Kết luận và hướng phát triển

Chương tổng kết các kết quả kỹ thuật đã hoàn thành so với mục tiêu đặt ra, đánh giá mức độ ổn định của máy uốn thực tế và nêu các đề xuất cải tiến kỹ thuật cho các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả thực nghiệm và kỹ thuật:

  • Đồ án đã tính toán, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh máy uốn thép định hình tự động nguyên mẫu, vận hành đồng bộ giữa hệ cơ khí, hệ thống khí nén và mạch điều khiển PLC.
  • Máy có khả năng tiếp nhận và gia công cuộn phôi thép dây carbon thấp SAE 1008 với dải đường kính từ ∅2 mm đến ∅4 mm.
  • Thực hiện uốn thành công các sản phẩm biên dạng phẳng 2D theo đúng thiết kế ban đầu bao gồm: hình tròn, hình chữ nhật, hình vuông và hình ngôi sao.
  • Toàn bộ chu trình từ xả cuộn, nắn thẳng, cấp phôi đúng chiều dài, uốn tạo hình đa góc và dập cắt đứt thành phẩm diễn ra hoàn toàn tự động, được điều khiển và giám sát thông qua màn hình HMI và PLC.

Về giải pháp và đóng góp của đề tài:

  • Ứng dụng thành công lý thuyết dẻo hóa kim loại và phương pháp giải hệ siêu tĩnh bậc 1 để xác định chính xác mô men uốn và lực cắt, làm căn cứ chọn động cơ bước và xi lanh khí nén mà không cần dựa trên phương pháp ước lượng cảm tính.
  • Đưa ra giải pháp kết cấu cụm uốn nâng hạ linh hoạt bằng xi lanh khí nén, giúp khắc phục nhược điểm của các mẫu máy trong nước trước đây (như máy Phúc Long chỉ uốn được góc đơn giản tịnh tiến), từ đó tạo hình được các biên dạng khép kín và phức tạp như hình ngôi sao.
  • Chế tạo thành công thiết bị có chi phí đầu tư thấp hơn so với các dòng máy nhập khẩu cùng phân khúc, mở ra khả năng nội địa hóa thiết bị uốn dây kim loại cho các cơ sở sản xuất khung đèn trang trí nội thất và thủ công mỹ nghệ trong nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được chỉ ra trong đề tài:

  • Phạm vi gia công của máy hiện chỉ giới hạn ở dây thép tròn đường kính nhỏ từ ∅2 mm đến ∅4 mm, chưa thể gia công các cỡ phôi lớn hơn do giới hạn về công suất truyền động và độ cứng vững của cụm nắn kéo.
  • Khả năng tạo hình của máy mới dừng lại ở các biên dạng hình học phẳng 2D, chưa thể thực hiện các chuyển động uốn không gian 3D.
  • Trong quá trình chạy thử nghiệm, vẫn còn tỷ lệ sản phẩm lỗi xuất hiện do hiện tượng trượt phôi tại bánh xe kéo hoặc độ đàn hồi dư của vật liệu chưa được bù trừ hoàn toàn tự động.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

  • Nghiên cứu nâng cấp công suất động cơ bước hoặc chuyển sang sử dụng động cơ servo, tăng cường kích thước khung bệ để mở rộng dải đường kính thép uốn.
  • Thiết kế thêm trục xoay không gian để phát triển máy thành hệ thống uốn thép CNC 3D hoàn chỉnh.
  • Tối ưu hóa thuật toán điều khiển trên PLC, tích hợp chức năng tự động bù góc đàn hồi (springback) dựa trên độ cứng thực tế của từng cuộn thép nhằm triệt tiêu sản phẩm lỗi.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo phù hợp cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí và Tự động hóa. Nội dung đề tài cung cấp tài liệu hữu ích cho những người đang nghiên cứu về thiết bị gia công áp lực, máy tự động định hình kim loại và tích hợp hệ thống cơ điện tử.

Các phần có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

  • Quy trình áp dụng lý thuyết biến dạng dẻo và phương pháp giải hệ siêu tĩnh để tính toán lực uốn phôi thép thanh.
  • Bộ kết cấu cơ khí chi tiết của cụm nắn thẳng phôi nhiều con lăn và cơ cấu uốn nâng hạ dạng bánh răng hành tinh.
  • Giải pháp kết nối, lập trình phát xung điều khiển động cơ bước trên PLC Mitsubishi FX1N-60MT và thiết kế giao diện điều khiển giám sát HMI trên phần mềm GT Designer3.

Câu hỏi thường gặp

Máy uốn thép định hình trong đồ án sử dụng loại vật liệu đầu vào nào và dải kích thước bao nhiêu?
Vật liệu đầu vào của máy là cuộn thép dây carbon thấp mác SAE 1008 (hàm lượng carbon dưới 0,25%, đã qua ủ, độ dẻo cao và dễ uốn) với dải đường kính phôi từ ∅2 mm đến ∅4 mm.

Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn Phương án 1 (cơ cấu bánh răng) thay vì Phương án 2 hay Phương án 3?
Nhóm chọn Phương án 1 vì phương án này đáp ứng đầy đủ các tiêu chí thiết kế: khả năng uốn đa dạng hình học (cả hình tròn, hình vuông, ngôi sao...), độ chính xác tạo hình cao và kết cấu máy nhỏ gọn. Ngược lại, Phương án 2 chỉ uốn được hình có góc cạnh, còn Phương án 3 chỉ uốn được hình tròn và cả hai phương án này đều có độ chính xác không cao.

Mô hình toán học nào được nhóm tác giả sử dụng để tính toán lực uốn của cụm uốn?
Tác giả mô hình hóa thanh phôi trên máy uốn thành một dầm ngàm một đầu chịu tải trọng tập trung dạng hệ siêu tĩnh bậc 1. Hệ này được giải bằng phương pháp lực (khử siêu tĩnh bằng ẩn lực $X_1$, thiết lập hệ cơ bản, vẽ biểu đồ mô men trạng thái $M_x^m$ và $M_x^k$) kết hợp công thức ứng suất uốn dẻo theo giới hạn chảy $\sigma_{ch}$ của vật liệu SAE 1008 và hệ số thực nghiệm $k$.

Hệ thống điều khiển tự động của máy được xây dựng từ những thiết bị và phần mềm nào?
Phần cứng điều khiển sử dụng PLC Mitsubishi dòng FX1N-60MT kết hợp màn hình cảm ứng HMI Mitsubishi GS2107-WTBD, 2 động cơ bước kèm driver, cảm biến tiệm cận và các nguồn tổ ong 24V DC, 5V DC. Phần mềm lập trình gồm GX Works2 (lập trình thang cho PLC) và GT Designer3 (thiết kế giao diện người - máy HMI).

Khi uốn thanh thép tròn, bán kính uốn tối thiểu phải thỏa mãn điều kiện gì để tiết diện phôi không bị biến dạng oval?
Theo kết quả khảo sát lý thuyết trong đồ án, bán kính uốn $r$ của chày uốn phải thỏa mãn điều kiện $r > 1,5d$ (với $d$ là đường kính thanh thép). Nếu bán kính uốn nhỏ hơn ($r < 1,5d$), tiết diện ngang của thanh tròn sẽ bị biến dạng bẹp và méo thành hình oval.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo máy uốn thép định hình tự động" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra từ tính toán lý thuyết biến dạng dẻo, mô phỏng số, thiết kế cơ sở đến chế tạo thực nghiệm máy uốn hoàn chỉnh. Mẫu máy vận hành ổn định, tự động hóa chu trình cấp phôi, nắn thẳng, tạo hình các biên dạng 2D (tròn, vuông, chữ nhật, ngôi sao) từ thép dây SAE 1008 đường kính 2 - 4 mm và cắt sản phẩm qua điều khiển PLC - HMI. Kết quả của đồ án cung cấp một giải pháp thiết bị cơ khí có tính thực tiễn cao, giá thành chế tạo thấp, đáp ứng nhu cầu gia công khung nội thất trong nước và tạo nền tảng vững chắc cho các nghiên cứu phát triển máy uốn không gian 3D tiếp theo.