Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các ngành công nghiệp hiện đại, công nghệ gia công áp lực và các thiết bị thủy lực đóng vai trò thiết yếu trong việc tạo hình chi tiết máy cũng như phục vụ công tác bảo trì, sửa chữa cơ khí. Công ty Cổ phần Giải pháp Công nghiệp CODIA (CODIA Industrial Solutions Company) là doanh nghiệp chuyên tư vấn, thiết kế và chế tạo các hệ thống máy móc chuyên dụng, dây chuyền sản xuất tự động hóa phục vụ ngành thực phẩm và nông nghiệp (tiêu biểu như hệ thống máy cuốn chả giò - spring roll machine).

Trong quá trình vận hành và kiểm tra bảo trì định kỳ (chu kỳ 6 tháng) các thiết bị của công ty, nhiều chi tiết dạng bát uốn chữ V (dùng để gá đặt cụm xi lanh khí nén, trục rulo và động cơ) chịu tải liên tục dẫn đến biến dạng dẻo, cong vênh và sai lệch góc vuông 90 độ ban đầu. Do thiếu công cụ nắn uốn chuyên dụng tại xưởng, công ty thường phải gia công hoặc mua mới toàn bộ chi tiết thay thế, làm phát sinh chi phí vận hành và gia tăng thời gian dừng máy (downtime).

Để giải quyết triệt để vấn đề thực tiễn này, đồ án tốt nghiệp tập trung vào các mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:

  1. Mục tiêu tổng quát: Thiết kế, tính toán và chế tạo hoàn chỉnh một máy ép thủy lực bán tự động tích hợp bộ khuôn uốn chữ V góc 90 độ, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật phục vụ công tác bảo trì, sửa chữa và chế tạo chi tiết máy tại xưởng của Công ty CODIA.
  2. Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:
    • Khảo sát các dòng máy ép thủy lực hiện có trên thị trường và phân tích nguyên lý uốn kim loại tấm.
    • Tính toán kết cấu cơ khí, lực uốn danh định và độ bền khung máy, dầm đỡ, chốt định vị.
    • Thiết kế mô hình 3D và mô phỏng ứng suất kết cấu bằng phần mềm chuyên dụng.
    • Tính toán lựa chọn các phần tử của hệ thống truyền động thủy lực (xi lanh, bơm nguồn, hệ thống van, đường ống, thùng dầu).
    • Gia công, chế tạo các cụm chi tiết cơ khí và lắp ráp hoàn thiện máy.
    • Thực nghiệm uốn phôi thép với các chiều dày khác nhau (3 mm, 4 mm, 6 mm) và đo kiểm chất lượng sản phẩm bằng thiết bị đo kiểm chính xác.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu máy ép thủy lực kiểu khung chữ H, trạm nguồn thủy lực bán tự động, bộ chày - cối uốn chữ V và quy trình uốn biến dạng kim loại tấm.
  • Phạm vi thông số kỹ thuật:
    • Kích thước tổng thể máy: $562 \times 400 \times 1345\text{ mm}$.
    • Tải trọng ép danh định thiết kế: 10 tấn ($10\text{ tons}$).
    • Kích thước cối uốn chữ V: $250 \times 50 \times 20\text{ mm}$, góc uốn danh định $90^\circ$.
    • Vật liệu phôi uốn: Thép cán nóng (như mác thép CT38) với chiều dày phôi dưới $6\text{ mm}$.
  • Thời gian và địa điểm: Đồ án thực hiện từ ngày 09/09/2023 đến ngày 14/03/2024 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh và Công ty Cổ phần Giải pháp Công nghiệp CODIA.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ áp dụng

  • Nguyên lý thủy lực và định luật Pascal: Áp dụng định luật Pascal đối với chất lỏng không nén được trong hệ kín ($P = F / A$) nhằm khuếch đại lực từ tác động nhỏ thành áp lực ép danh định 10 tấn tác động lên piston xi lanh công tác.
  • Lý thuyết uốn kim loại tấm (V-bending): Nghiên cứu hai cơ chế uốn cơ bản gồm uốn tự do (free bending) và uốn chạm đáy (bottom bending). Khi uốn biến dạng dẻo, các thớ kim loại lớp trong bị nén và co ngắn, các thớ lớp ngoài bị kéo và giãn dài; giữa hai vùng tồn tại lớp trung hòa (neutral layer). Lực uốn tổng thể bao gồm lực uốn tự do và lực ép phẳng đáy ($q$, đơn vị $\text{kg/mm}^2$).
  • Vật liệu và công nghệ nhiệt luyện khuôn: Bộ chày và cối uốn sử dụng thép hợp kim chuyên dụng SKD11. Quy trình nhiệt luyện bao gồm tôi cứng ở dải nhiệt độ từ $980^\circ\text{C}$ đến $1050^\circ\text{C}$, sau đó ram ở nhiệt độ $200^\circ\text{C} - 300^\circ\text{C}$ để khử ứng suất dư, đạt độ cứng làm việc yêu cầu từ $58\text{ HRC}$ đến $62\text{ HRC}$, chống mài mòn và chịu va đập áp lực cao.
  • Vật liệu phôi thử nghiệm: Thép tấm cán nóng có độ dẻo cao và độ bền cơ học tốt, độ cứng nằm trong khoảng $45 - 48\text{ HRC}$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu: Thu thập các tiêu chuẩn kỹ thuật chế tạo máy, sổ tay thiết kế chi tiết máy, tài liệu tra cứu thủy lực và các nghiên cứu thực tế về công nghệ ép áp lực.
  • Phương pháp tính toán thiết kế cơ khí và thủy lực: Sử dụng các công thức sức bền vật liệu để xác định ứng suất uốn của dầm ngang chữ U, ứng suất cắt và ứng suất tiếp xúc của chốt đỡ bàn máy; tính toán áp suất làm việc, đường kính nòng xi lanh, lưu lượng bơm dầu và chọn công suất động cơ điện.
  • Phương pháp thiết kế và mô phỏng số (CAE): Ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor 2020 để mô hình hóa toàn bộ chi tiết 3D, xuất bản vẽ kỹ thuật 2D và tiến hành phân tích phần tử hữu hạn (FEA) kiểm tra ứng suất Von-Mises, độ biến dạng (displacement) và hệ số an toàn (safety factor).
  • Phương pháp chế tạo và thực nghiệm: Gia công cơ khí (khoan, hàn, mài, tiện), lắp ráp hệ thống trạm nguồn thủy lực và tiến hành uốn mẫu thực nghiệm trên các tấm thép độ dày 3 mm, 4 mm, 6 mm.
  • Phương pháp đo lường kiểm tra chất lượng: Sử dụng thước ê-ke kiểm tra độ vuông góc và sử dụng máy đo tọa độ không gian 3 chiều CMM (Coordinate Measuring Machine) để đo kiểm góc uốn thực tế của phôi sau khi uốn.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế

Nhóm nghiên cứu đã lập bảng so sánh chi tiết giữa các phương án kết cấu và điều khiển trước khi đưa vào tính toán chi tiết:

Tiêu chí so sánh Phương án Khung chữ C (C-frame) Phương án Khung chữ H (H-frame) Lựa chọn của đồ án
Khả năng chịu tải Hạn chế khi chịu áp lực cao, dễ biến dạng mở miệng khung. Phân bố tải trọng đối xứng, chịu tải trọng lớn (10 tấn) rất tốt. Chọn Khung chữ H
Độ ổn định kết cấu Kém ổn định hơn ở dải áp suất cao. Cực kỳ vững chắc, chống rung lắc khi piston tác động.
Không gian thao tác Thoáng 3 phía, thuận tiện đưa phôi từ nhiều hướng. Bị giới hạn hai bên thân máy nhưng đủ không gian uốn chi tiết V.
Bảo trì và chế tạo Chế tạo phức tạp hơn để đảm bảo độ cứng vững thân. Kết cấu dầm U tiêu chuẩn, dễ gia công, lắp ghép và bảo dưỡng.

Về phương thức dẫn động, nhóm lựa chọn phương án máy ép bán tự động sử dụng bơm dầu dẫn động bằng động cơ điện kết hợp van điều khiển tay gạt 4/3 thay cho phương án kích tay thủ công (năng suất thấp, tốn sức) và phương án tự động hoàn toàn bằng PLC (chi phí đầu tư cao, không cần thiết cho mục đích bảo trì).

Thiết kế kết cấu cơ khí và trạm nguồn thủy lực

  • Khung máy: Sử dụng 2 thanh thép chữ U tiêu chuẩn kích thước $120 \times 55 \times 6{,}3\text{ mm}$ liên kết đối xứng tạo thành cột và dầm ngang chịu lực chính, có thể điều chỉnh độ cao bàn làm việc thông qua các lỗ chốt định vị.
  • Bàn làm việc và chốt đỡ: Chốt đỡ bàn gia công từ thép tròn chịu cắt và chịu uốn, truyền toàn bộ lực ép 10 tấn từ bàn ép xuống thân máy.
  • Bộ chày - cối uốn: Chày uốn góc $90^\circ$ gắn trực tiếp vào đầu cán piston; cối uốn có rãnh V tiêu chuẩn kích thước $250 \times 50 \times 20\text{ mm}$ định vị trên bàn ép.
  • Hệ thống thủy lực:
    • Xi lanh thủy lực tác động kép (double-acting cylinder).
    • Bơm thủy lực kết hợp động cơ điện cung cấp lưu lượng và áp suất làm việc định mức.
    • Van phân phối đảo chiều dạng 4/3 vận hành bằng tay gạt (hand-lever directional control valve).
    • Van an toàn (safety valve) chống quá áp nhằm bảo vệ hệ thống khi lực ép vượt quá ngưỡng cho phép.
    • Đồng hồ đo áp suất (pressure gauge) kèm khóa đồng hồ để theo dõi tải trọng thực tế.
    • Bồn dầu dung tích phù hợp kèm đường ống hút và ống đẩy chịu áp lực cao.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Introduction To The Topic (Giới thiệu đề tài)

Chương 1 làm rõ tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tế của Công ty CODIA trong việc bảo trì dây chuyền máy cuốn chả giò. Tác giả trình bày tổng quan về vai trò của công nghệ gia công áp lực, vai trò của máy ép thủy lực trong công tác bảo trì công nghiệp, các khó khăn tài chính khi phải thay mới linh kiện bị biến dạng, đồng thời xác định rõ ràng mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và phương pháp luận của đề tài.

Chương 2: Research Overview (Tổng quan nghiên cứu)

Chương này tổng quan về nguyên lý truyền động thủy lực và định luật Pascal, quy trình công nghệ dập uốn kim loại tấm (cắt phôi, chuẩn bị khuôn, kiểm tra máy, uốn phôi và kiểm tra sản phẩm). Tác giả tiến hành phân loại máy ép thủy lực theo hình dạng khung máy (khung chữ C, khung chữ H), theo phương thức điều khiển (thủ công, bán tự động, tự động) và điểm qua một số công trình nghiên cứu, ứng dụng máy ép thủy lực trong và ngoài nước (như máy ép gạch đất không nung bán khô của Nguyễn Tiến Dũng năm 2018; nghiên cứu máy ép thủy lực nén phế liệu nhựa và thùng carton tải trọng 200 kN công suất 5 HP công bố trên tạp chí IJCRT 2018).

Chương 3: Theoretical Basis (Cơ sở lý thuyết)

Tập trung vào cơ sở lý thuyết biến dạng uốn kim loại. Chương 3 phân tích chi tiết sự khác biệt giữa uốn tự do (free bending) và uốn đáy (bottom bending), các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình uốn (bán kính góc uốn, chiều dày vật liệu, cơ tính của phôi), hiện tượng chuyển dịch lớp trung hòa làm thay đổi tiết diện vùng uốn dạng hình thang. Chương này cũng nêu các yêu cầu kỹ thuật đối với khuôn dập uốn, quy trình nhiệt luyện thép SKD11 đạt $58 - 62\text{ HRC}$, các đặc tính cơ lý của phôi thép cán nóng CT38 và vai trò của các phần tử trong trạm nguồn thủy lực.

Chương 4: Design Option Selection (Lựa chọn phương án thiết kế)

Trình bày chi tiết thực trạng tại xưởng sản xuất của Công ty CODIA và kết cấu các bản mã chữ V bị cong vênh trên máy cuốn chả giò. Tác giả phân tích ưu - nhược điểm của từng phương án kết cấu cơ khí (khung chữ H so với khung chữ C) và phương án dẫn động (máy ép tay thủ công so với máy ép bán tự động dùng động cơ). Kết quả là phương án máy ép bán tự động khung chữ H với kích thước phủ bì $562 \times 400 \times 1345\text{ mm}$ được chọn làm cơ sở thiết kế.

Chương 5: Design And Calculations (Tính toán và thiết kế)

Chương 5 là chương tính toán kỹ thuật trọng tâm của đồ án:

  • Tính toán vùng làm việc của khuôn uốn chữ V và xác định lực uốn danh định cần thiết cho các chiều dày phôi thép đến 6 mm.
  • Tính toán sức bền cơ học của dầm ngang khung máy chế tạo từ thép chữ U $120 \times 55 \times 6{,}3\text{ mm}$.
  • Tính toán độ bền chịu uốn, chịu cắt của chốt đỡ bàn ép và kiểm nghiệm ứng suất tiếp xúc của lỗ chốt trên thân máy.
  • Tính toán thông số hệ thống thủy lực: diện tích piston xi lanh, áp suất làm việc, lưu lượng dầu cần cung cấp, tính chọn kích thước đường ống hút/đẩy, lựa chọn bơm dầu, chọn công suất động cơ điện, chọn van phân phối 4/3, van an toàn và thể tích bình chứa dầu.
  • Ứng dụng công cụ Stress Analysis trên phần mềm Autodesk Inventor 2020 để mô phỏng tải trọng 10 tấn, kiểm chứng ứng suất phân bố, biến dạng đàn hồi và hệ số an toàn của toàn bộ khung máy và cụm lỗ chốt chịu lực.

Chương 6: Manufacturing and Experimentation (Chế tạo và thực nghiệm)

Chương này mô tả toàn bộ quy trình gia công cơ khí tại xưởng:

  • Các bước cắt, khoan lỗ trên máy khoan bàn, hàn ghép và mài phẳng các thanh thép chữ U tạo khung máy.
  • Gia công phay, mài và nhiệt luyện bộ chày - cối uốn bằng thép SKD11.
  • Gia công tiện chốt tròn chịu lực và chế tạo bàn làm việc di động.
  • Thiết kế sơ đồ mạch thủy lực tổng thể, lắp ráp trạm nguồn, kết nối đường ống và sơn phủ bảo vệ máy.
  • Tiến hành thực nghiệm uốn 10 mẫu phôi thép dày 4 mm (Thực nghiệm 1 đến 10), tiếp tục thử nghiệm với phôi thép dày 3 mm và 6 mm.
  • Sử dụng thước ê-ke đo độ vuông góc và đưa mẫu uốn lên máy đo tọa độ 3 chiều CMM để kiểm tra độ chính xác của góc uốn $90^\circ$.
  • Đề xuất các biện pháp an toàn lao động và quy trình bảo dưỡng máy định kỳ.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật và số liệu thực nghiệm

  • Sản phẩm phần cứng hoàn chỉnh: Chế tạo thành công máy ép thủy lực khung chữ H với kích thước thực tế $562 \times 400 \times 1345\text{ mm}$, tải trọng ép định mức đạt 10 tấn.
  • Khuôn uốn chữ V: Bộ chày cối uốn SKD11 ($250 \times 50 \times 20\text{ mm}$) đạt độ cứng sau nhiệt luyện $58 - 62\text{ HRC}$, chịu lực dập êm, không bị biến dạng hay nứt vỡ trong suốt quá trình thử nghiệm.
  • Dữ liệu thực nghiệm uốn chi tiết:
    • Hoàn thành 10 lượt thử nghiệm liên tục trên các phôi thép dày 4 mm; kết quả góc uốn đạt chuẩn $90^\circ$ với độ lặp lại cao.
    • Thử nghiệm thành công trên phôi thép chiều dày 3 mm và chiều dày cực đại 6 mm.
    • Kết quả đo kiểm trên máy đo tọa độ CMM xác nhận biên dạng đáy uốn và góc vuông thành phẩm nằm trong giới hạn sai số cho phép, đáp ứng hoàn toàn yêu cầu lắp ghép kỹ thuật.
  • Hệ thống điều khiển: Trạm nguồn thủy lực với van đảo chiều 4/3 gạt tay và van an toàn vận hành ổn định, thời gian thực hiện một chu trình uốn nhanh, đáp ứng năng suất sửa chữa.

Đóng góp thực tiễn và giá trị học thuật

  • Đóng góp cho doanh nghiệp: Cung cấp trực tiếp cho Công ty CODIA một thiết bị nắn uốn chuyên dụng, giúp đơn vị tự chủ hoàn toàn trong việc nắn lại các chi tiết bát chữ V cong vênh hoặc uốn mới linh kiện thay thế cho máy cuốn chả giò, tiết kiệm chi phí vật tư và giảm đáng kể thời gian dừng máy.
  • Hồ sơ chuyển giao: Bàn giao bộ bản vẽ thiết kế 2D/3D chi tiết, sơ đồ nguyên lý mạch thủy lực và quy trình vận hành an toàn cho bộ phận kỹ thuật của doanh nghiệp.
  • Đóng góp về phương pháp: Xây dựng một quy trình khép kín từ khảo sát bài toán công nghiệp thực tế $\rightarrow$ tính toán lý thuyết $\rightarrow$ mô phỏng CAE $\rightarrow$ chế tạo thực tế $\rightarrow$ đo kiểm CMM.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Hệ thống điều khiển hiện tại sử dụng van gạt tay cơ khí nên việc duy trì thời gian giữ tải (dwell time) khi uốn các mác thép cán nóng khác nhau phụ thuộc vào kỹ năng và kinh nghiệm của người vận hành.
  • Bộ khuôn hiện tại được thiết kế chuyên biệt cho việc uốn góc chữ V $90^\circ$ với bề rộng phôi tối đa theo chiều dài cối 250 mm, chưa tích hợp đồ gá đa năng để thực hiện các nguyên công ép tháo lắp vòng bi hoặc ép phẳng diện tích lớn.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tích hợp thêm rơ-le áp suất, cảm biến hành trình và bộ điều khiển logic khả trình (PLC) để tự động hóa hoàn toàn chu trình ép và cài đặt chính xác thời gian duy trì lực ép cho từng loại vật liệu.
  • Thiết kế và chế tạo thêm các bộ đồ gá phụ trợ (khuôn ép tháo lắp ổ bi, khuôn uốn chữ U, khuôn uốn nhiều góc) nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng bảo trì cho nhiều dòng máy khác nhau của công ty.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Công nghệ Chế tạo máy: Tham khảo phương pháp tính toán dầm khung máy ép, tính toán chốt định vị chịu cắt - dập, các bước tính chọn thiết bị thủy lực công nghiệp và quy trình mô phỏng kiểm bền kết cấu trên Autodesk Inventor.
  • Kỹ sư bảo trì và thiết kế cơ khí tại các nhà xưởng: Ứng dụng trực tiếp bản vẽ kết cấu khung chữ H và sơ đồ mạch thủy lực trạm nguồn bán tự động để tự chế tạo thiết bị ép nắn phục vụ sửa chữa nội bộ.
  • Các đề tài nghiên cứu về khuôn dập uốn kim loại tấm: Tham khảo quy trình gia công, phương pháp nhiệt luyện thép SKD11 và phương pháp đo kiểm sai số góc uốn trên máy đo CMM.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy ép thủy lực trong đồ án có các thông số kích thước và tải trọng thiết kế cơ bản nào?
Máy có kích thước tổng thể $562 \times 400 \times 1345\text{ mm}$, tải trọng ép danh định thiết kế là 10 tấn, sử dụng kết cấu khung chữ H làm từ thép chữ U $120 \times 55 \times 6{,}3\text{ mm}$.

2. Bộ khuôn chày - cối uốn chữ V được chế tạo từ vật liệu gì và qua quy trình nhiệt luyện như thế nào?
Bộ chày cối uốn được chế tạo từ thép hợp kim SKD11, được tôi ở nhiệt độ $980^\circ\text{C} - 1050^\circ\text{C}$ và ram ở $200^\circ\text{C} - 300^\circ\text{C}$, đạt độ cứng từ $58\text{ HRC}$ đến $62\text{ HRC}$ nhằm đảm bảo khả năng chống mài mòn và chịu va đập dưới áp lực cao.

3. Thiết bị được thiết kế nhằm giải quyết bài toán bảo trì cụ thể nào của Công ty CODIA?
Thiết bị phục vụ trực tiếp công tác uốn nắn phục hồi hoặc gia công mới các bản mã/bát đỡ chữ V $90^\circ$ (dùng để gá xi lanh khí nén, trục rulo, động cơ) trên máy cuốn chả giò bị biến dạng sau chu kỳ hoạt động 6 tháng tại công ty.

4. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn kết cấu khung chữ H thay vì khung chữ C?
Khung chữ H có kết cấu đối xứng giúp phân bố đều lực ép 10 tấn lên hai bên thân máy, độ cứng vững và độ ổn định cao hơn, không bị hiện tượng biến dạng mở miệng khung như khung chữ C khi làm việc ở áp lực lớn, đồng thời dễ dàng gia công và bảo trì.

5. Phương pháp nào được sử dụng để kiểm tra độ chính xác của phôi sau khi uốn?
Sản phẩm sau khi uốn được kiểm tra độ vuông góc bằng thước ê-ke và được đo kiểm kích thước, biên dạng hình học chính xác bằng máy đo không gian 3 chiều CMM (Coordinate Measuring Machine).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo dụng cụ ép thủy lực hỗ trợ bảo trì sửa chữa cho công ty giải pháp công nghiệp CODIA" do sinh viên Lê Hoàng Khang thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Dương Thị Vân Anh đã giải quyết hoàn chỉnh một bài toán kỹ thuật xuất phát từ thực tiễn sản xuất. Đề tài đã hoàn thành đầy đủ các nội dung từ tính toán lý thuyết, mô phỏng số trên Autodesk Inventor đến gia công, nhiệt luyện chày cối thép SKD11 và lắp ráp hoàn thiện máy ép thủy lực 10 tấn. Các kết quả thực nghiệm uốn phôi thép đến 6 mm và đo kiểm CMM khẳng định máy hoạt động ổn định, chính xác và đã được chuyển giao thành công cho doanh nghiệp.