Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản khi lăn ép đến khả năng tạo hình tấm dày có biên dạng phức tạp ứng dụng trong công nghệ đóng tàu

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:135

Thêm vào BST

Báo xấu

100
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nghiên cứu xây dựng bài toán lăn ép dựa trên lý thuyết gia công áp lực; lý giải các nguyên nhân hiện tượng phôi tấm cong khi lăn ép; nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản trong quá trình tạo hình bán kính cong của phôi tấm. Từ đó, thiết lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và bán kính cong của tấm theo thiết kế, áp dụng trong chế tạo thử nghiệm các chi tiết trong vỏ tàu thuỷ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản khi lăn ép đến khả năng tạo hình tấm dày có biên dạng phức tạp ứng dụng trong công nghệ đóng tàu

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác. Hà Nội, tháng 5 năm 2016 Người hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS.TS. Nguyễn Đắc Trung Trần Hải Đăng
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Gia công áp lực - Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã luôn tạo điều kiện thuận lợi nhất trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án này. Tôi đặc biệt cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Đắc Trung đã tận tình hướng dẫn tôi về chuyên môn trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Công tác tuyển sinh trường Đại học Sao Đỏ đã tạo điều kiện về thời gian, cơ sở vật chất và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã dành thời gian đọc và góp những ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án và định hướng nghiên cứu trong tương lai. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể gia đình, bạn bè, những người đã luôn chia sẻ, động viên, giúp đỡ tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Nghiên cứu sinh Trần Hải Đăng
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................................................. ii MỤC LỤC ....................................................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................................................................. vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................................................................ viii MỞ ĐẦU .......................................................................................................................................................... 1 I. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ......................................................................... 2 1. Mục đích của đề tài ............................................................................................................................. 2 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................................................... 2 II. Phương pháp nghiên cứu........................................................................................................................ 2 III. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn................................................................................................. 3 1. Ý nghĩa khoa học................................................................................................................................. 3 2. Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................................................................. 3 IV. Các đóng góp mới của luận án.............................................................................................................. 3 V. Các nội dung chính trong luận án.......................................................................................................... 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH CHI TIẾT VỎ TỪ TẤM DẦY ........................ 5 1.1 Các chi tiết tấm hình dạng phức tạp, cỡ lớn trong công nghiệp đóng tàu......................................... 5 1.2 Các phương pháp tạo hình chi tiết vỏ................................................................................................... 6 1.2.1 Phương pháp uốn ........................................................................................................................... 7 1.2.2 Tạo hình dựa trên biến dạng nhiệt ................................................................................................. 8 1.2.3 Uốn lốc trên máy 3 trục, 4 trục ....................................................................................................... 9 1.2.4 Miết trên máy chuyên dụng .......................................................................................................... 10 1.2.5 Cán không đối xứng ..................................................................................................................... 11 1.2.6 Công nghệ lăn ép .......................................................................................................................... 11 1.3 Những kết quả nghiên cứu về công nghệ lăn ép ................................................................................ 12 1.3.1 Trên thế giới ................................................................................................................................. 12 1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................................................................. 18 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ........................................................................................................................... 20 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ LĂN ÉP .................................................................... 21 2.1 Các thông số cơ bản của quá trình lăn ép .......................................................................................... 21 2.2 Biên dạng, bán kính cặp trục lăn ........................................................................................................ 23 2.3 Lực ép, phân bố áp lực trên bề mặt tiếp xúc khi lăn ......................................................................... 25 2.4 Hệ số ma sát khi lăn ép ........................................................................................................................ 32 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ........................................................................................................................... 34 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LĂN ÉP DỰA TRÊN MÔ PHỎNG SỐ ............................. 35 3.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................................................. 35 3.2 Trình tự xây dựng bài toán mô phỏng số .......................................................................................... 36
iv 3.3 Thiết lập bài toán mô phỏng số quá trình lăn ép phôi ..................................................................... 37 3.3.1 Xây dựng mô hình hình học ......................................................................................................... 37 3.3.2 Chia lưới phần tử .......................................................................................................................... 38 3.3.3 Xây dựng mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu .................................................. 39 3.3.4 Đặt điều kiện biên ........................................................................................................................ 40 3.4 Phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng số.......................................................................................... 41 3.5 Kiểm tra kết quả mô phỏng số bằng thực nghiệm ............................................................................ 46 3.5.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm .................................................................................................. 46 3.5.2 Thử nghiệm và kiểm tra kết quả mô phỏng số ............................................................................. 52 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ........................................................................................................................... 55 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN BÁN KÍNH CONG CỦA SẢN PHẨM TẤM BẰNG MÔ PHỎNG SỐ ......................................................................... 57 4.1 Các thông số công nghệ........................................................................................................................ 57 4.2 Khảo sát mối quan hệ giữa lực ép và mức độ biến dạng .................................................................. 58 4.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của lực ép, mức độ biến dạng tới bán kính của tấm sau khi lăn .............. 59 4.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc lăn tới bán kính của tấm sau khi lăn ...................................... 65 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ........................................................................................................................... 68 CHƯƠNG 5. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ VỚI BÁN KÍNH CONG SẢN PHẨM BẰNG THỰC NGHIỆM .............................................................. 69 5.1 Vật liệu, thiết bị và điều kiện thực nghiệm ........................................................................................ 69 5.2 Tiến hành thực nghiệm và đo kết quả ................................................................................................ 70 5.3 Nhận xét, phân tích đánh giá kết quả và xây dựng mối quan hệ hàm số giữa bán kính của sản phẩm tấm phụ thuộc vào các thông số công nghệ....................................................................................... 74 5.3.1 Khảo sát bán kính cong của tấm theo phương dọc ....................................................................... 74 5.3.2 Khảo sát bán kính cong của tấm theo phương ngang ................................................................... 78 5.3.3 Nhận xét kết quả thực nghiệm ...................................................................................................... 82 5.4 Áp dụng kết quả nghiên cứu trong việc lăn ép vỏ tàu thuỷ .............................................................. 82 5.4.1 Chi tiết vỏ tàu thủy ....................................................................................................................... 82 5.4.2 Trình tự công nghệ lăn ép ............................................................................................................. 83 5.4.3 Thực hiện lăn thử nghiệm chi tiết mũi quả lê tàu kiểm ngư Việt Nam......................................... 85 KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 ........................................................................................................................... 89 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................... 90 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ........................................................................................................ 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................................. 92 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ....................................................... 99 PHỤ LỤC ..................................................................................................................................................... 100
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Diễn giải Đơn vị  Góc ăn kim loại rad φt Góc tiếp xúc phôi với trục trên rad φd Góc tiếp xúc phôi với trục dưới rad σf Ứng suất chảy MPa σb Ứng suất bền MPa σx, y, z Ứng suất theo phương x, y và z MPa eq Mức độ biến dạng tương đương - 1,2,3 Mức độ biến dạng theo phương trục chính -  Ứng suất tiếp xúc MPa μ Hệ số ma sát b Chiều rộng của phôi mm C Mô đun hóa bên vật liệu Ftx Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa phôi và trục lăn mm2 lt Chiều dài cung tiếp xúc giữa trục trên và phôi mm ld Chiều dài cung tiếp xúc giữa trục dưới và phôi mm Mt Khoảng cách từ tâm trục trên đến tâm cong của tấm mm Md Khoảng cách từ tâm trục dưới đến tâm cong của tấm mm N Lực pháp tuyến N n Số mũ hóa bền vật liệu P Lực ép N PTHH Phần tử hữu hạn p Áp suất chất lỏng Bar Pn Ứng suất pháp tuyến MPa ptb Áp lực riêng trung bình MPa Ra Bán kính ngoài sản phẩm mm
vi Ri Bán kính trong sản phẩm mm Rtd Bán kính trục dưới mm Rtt Bán kính trục trên mm Rd Bán kính cong sản phẩm theo phương dọc mm Rn Bán kính cong sản phẩm theo phương ngang mm S Chiều dày phôi mm S1 Chiều dày phôi ban đầu mm S2 Chiều dày phôi sau khi lăn ép mm ΔS Lượng ép mm T Lực ma sát tiếp xúc N V Vận tốc của trục lăn rad/s
vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 3.1 Thành phần hóa học của thép SS400 39 Tổng hợp kết quả mô phỏng trường hợp phôi tấm có chiều dày Bảng 3.2 46 S = 20 mm Bảng 3.3 Kết quả thử nghiệm 54 Bảng 4.1 Các thông số công nghệ khảo sát đối với vật liệu SS400 57 Bảng 4.2 Các thông số khảo sát lực ép phụ thuộc mức độ biến dạng 58 Bảng 4.3 Lực ép tính toán khi thay đổi chiều dày và mức độ biến dạng 58 Các thông số khảo sát bán kính của tấm phụ thuộc lực ép, mức độ Bảng 4.4 59 biến dạng Giá trị lực ép P, mức độ biến dạng 2 và bán kính sản phẩm Rd tương Bảng 4.5 60 ứng trong trường hợp vận tốc V= 10 v/ph Bảng 4.6 Giá trị lực ép P, mức độ biến dạng và bán kính sản phẩm Rn 64 Bảng 4.7 Các thông số khảo sát bán kính của tấm phụ thuộc vào vận tốc lăn 65 Giá trị vận tốc lăn và bán kính sản phẩm Rd ứng với chiều dày Bảng 4.8 66 S = 20 mm Giá trị vận tốc lăn và bán kính sản phẩm Rn ứng với chiều dày Bảng 4.9 67 S = 20 mm Các thông số khảo sát bán kính của tấm phụ thuộc lực ép, mức độ Bảng 5.1 70 biến dạng Các giá trị đo áp suất chất lỏng công tác, lực ép, mức độ biến dạng, Bảng 5.2 73 bán kính cong của sản phẩm tấm Bảng 5.3 Yêu cầu đối với sản phẩm 83 Bảng 5.4 Bảng thông số công nghệ khi lăn chi tiết 1 theo chiều rộng 85 Bảng 5.5 Bảng thông số công nghệ khi lăn chi tiết 1 theo chiều dài 86 Bảng 5.6 Bảng thông số công nghệ khi lăn chi tiết 2 theo chiều rộng 87 Bảng 5.7 Bảng thông số công nghệ khi lăn chi tiết 2 theo chiều dài 87 Bảng 5.8 Bảng kết quả tạo hình sản phẩm 88
viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Tấm có biên dạng cong phức tạp sử dụng trong sản xuất vỏ tàu 6 Hình 1.2 Hình ảnh vỏ tàu thủy 6 Hình 1.3 Sơ đồ uốn trên khuôn 7 Hình 1.4 Một số hình ảnh uốn phôi tấm trên máy ép thủy lực 7 Hình 1.5 Một số hình ảnh chế tạo tấm cong từ phôi thép phẳng bằng phương 8 pháp gia nhiệt cục bộ bằng ngọn lửa Oxi Axetylen Hình 1.6 Kết cấu hàn trong cấu tạo thân vỏ tàu 9 Hình 1.7 Một số hình ảnh uốn phôi thép tấm trên máy uốn lốc 3 trục 10 Hình 1.8 Một số hình ảnh về máy miết & sản phẩm được tạo hình bằng phương 10 pháp miết Hình 1.9 Sơ đồ cán không đối xứng 11 Hình 1.10 Một số hình ảnh về thiết bị lăn ép & sản phẩm được tạo hình bằng 12 phương pháp lăn ép Hình 1.11 Sơ đồ thể hiện quá trình lăn không đối xứng 13 Hình 1.12 Lực phụ thuộc vào tỷ số v2/v1 15 Hình 1.13 Phân bố áp suất cán trên cung tiếp xúc tỷ số tốc độ thay đổi 15 Hình 1.14 Tấm cong khi hệ số ma sát giữa phôi với hai trục lăn khác nhau 16 Hình 1.15 Ảnh hưởng của mức độ ép tới bán kính cong của tấm khi tỷ số hệ số 17 ma sát con lăn trên và con lăn dưới (µ2/µ1) thay đổi Hình 1.16 Ảnh hưởng của bán kính trục cán đến bán kính cong của sản phẩm 17 Hình 1.17 Sự thay đổi của bán kính cong với chiều dầy và hệ số ma sát khác 17 nhau Hình 2.1 Sơ đồ quá trình lăn ép không đối xứng 21 Hình 2.2 Các kiểu biên dạng con lăn 24 Hình 2.3 Con lăn trên 24 Hình 2.4 Con lăn dưới 24 Hình 2.5 Hình biểu diễn sơ đồ tác dụng lực trường hợp đơn giản nhất 25 Hình 2.6 Hình biểu diễn sơ đồ tác dụng của ứng suất nội lực 25 Hình 2.7 Sơ đồ tác dụng lực khi ép ban đầu 26 Hình 2.8 Lực phân bố trên cung tiếp xúc giữa phôi và trục khi ép ban đầu 27 Hình 2.9 Phôi biến dạng dưới tác dụng của lực ép ban đầu 27 Hình 2.10 Sơ đồ lực tác dụng khi lăn 28 Hình 2.11 Áp lực phân bố trên cung tiếp xúc giữa phôi và trục khi lăn 28 Hình 2.12 Sơ đồ xác định mô men uốn theo phương z 29
ix Hình 2.13 Sơ đồ xác định mô men uốn theo phương x do lực ma sát gây nên 29 Hình 2.14 Phôi biến dạng khi lăn 30 Hình 2.15 Quan hệ giữa lực ép và bán kính cong của sản phẩm 32 Hình 2.16 Quan hệ giữa lực ép và lượng ép khi lăn ép phôi tấm có chiều dày S 32 = 10mm Hình 2.17 Biểu đồ phân bố áp lực trong vùng tiếp xúc giữa phôi và trục lăn 33 Hình 3.1 Các bước thiết lập bài toán mô phỏng số 36 Hình 3.2 Mô hình hình học cặp trục lăn và phôi 37 Hình 3.3 Lưới phần tử của cặp con lăn và phôi tấm 38 Hình 3.4 Mẫu thử kéo 39 Hình 3.5 Đường cong lực - chuyển vị khi thử kéo của vật liệu SS400 40 Hình 3.6 Đường cong quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu SS400 40 Hình 3.7 Mô hình thiết lập điều kiện biên cho bài toán lăn ép 41 Hình 3.8 Vết tiếp xúc giữa phôi tấm với con lăn trên và dưới 42 Hình 3.9 Phôi tấm cong ở các thời điểm khác nhau từ bắt đầu đến kết thúc 42 lượt lăn Hình 3.10 Bán kính cong theo phương dọc và phương ngang của tấm 43 Hình 3.11 Biểu đồ lực lăn ép theo thời gian 43 Hình 3.12 Vết tiếp xúc giữa phôi và các con lăn khi lăn ép 44 Hình 3.13 Phân bố ứng suất trong mặt cắt dọc phôi khi lăn ép 44 Hình 3.14 Phân bố ứng suất 2, biến dạng 3 theo phương dọc 45 Hình 3.15 Phân bố biến dạng tương đương 45 Hình 3.16 Phân bố ứng suất trong mặt cắt ngang phôi khi lăn ép 45 Hình 3.17 Phân bố biến dạng 1 theo phương ngang 46 Hình 3.18 Các mô đun chính trong hệ thống thực nghiệm 47 Hình 3.19 Máy ép thủy lực SBP - 1500 T 47 Hình 3.20 Thiết bị lăn ép 48 Hình 3.21 Cấu trúc thiết bị đo áp suất 49 Hình 3.22 Sơ đồ mạch xử lý tín hiệu đo áp suất 49 Hình 3.23 Sơ đồ ghép nối card thu thập số liệu với hệ thống 50 Hình 3.24 Thiết bị đo áp suất 50 Hình 3.25 Thiết bị đo áp suất được lắp trên máy ép thuỷ lực 50 Hình 3.26 Chương trình đo áp suất 51 Hình 3.27 Chương trình đọc kết quả đo áp suất 51 Hình 3.28 Thiết bị đo FARO Prime sử dụng đo bán kính tấm khi thực nghiệm 52 Hình 3.29 Đồng hồ so điện tử 543-494B đo lượng ép sản phẩm lăn ép 52
x Hình 3.30 Thí nghiệm lăn ép phôi tấm 53 Hình 3.31 Đồ thị áp suất chất lỏng công tác trong suốt quá trình lăn ép 53 Hình 3.32 Tấm sau khi lăn ép 54 Hình 4.1 Mối quan hệ giữa lực ép và mức độ biến dạng dựa trên tính toán mô 59 phỏng số Hình 4.2 Đồ thị quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương dọc Rd và 61 lực ép P, mức độ biến dạng với vận tốc lăn V = 10 v/ph, chiều dày phôi từ 10 – 30 mm Hình 4.3 Đồ thị quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương dọc Rd và 61 lực ép P, mức độ biến dạng với chiều dày phôi S = 20 mm, vận tốc lăn V = 5; 10; 20; 30 v/ph Hình 4.4 So sánh vết tiếp xúc, ứng suất và biến dạng khi lực ép, mức độ biến 62 dạng trong hai trường hợp a) S = 20 mm, P = 76,9 Tấn, 2 = 0,06 và b) S = 20 mm, P = 104,8 Tấn, 2 = 0,09 Hình 4.5 So sánh ứng suất và biến dạng khi lực ép, mức độ biến dạng trong 63 hai trường hợp a) S = 20 mm, P = 76.9 Tấn, 2 = 0,06 và b) S = 30 mm, P = 100,4 Tấn, 2 = 0,06 Hình 4.6 Tấm bị uốn cong theo phương ngang 63 Hình 4.7 Đồ thị quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương ngang Rn 64 và lực ép P Hình 4.8 Đồ thị quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương ngang Rn và 65 mức độ biến dạng 2 Hình 4.9 Đồ thị quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương dọc Rd và 66 vận tốc lăn ứng với chiều dày tấm S = 20 (mm) Hình 4.10 Đồ thị quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương dọc Rn và 67 vận tốc lăn khi chiều dày tấm S= 20mm Hình 5.1 Phôi tấm 69 Hình 5.2 Phôi được được kẹp giữa hai trục lăn và thực hiện xong quá trình lăn 71 ép Hình 5.3 Sản phẩm tấm sau khi lăn ép với các chiều dày từ 10 đến 30 mm 72 Hình 5.4 Các giá trị lực, bán kính cong sản phẩm theo phương dọc Rd 75 của các điểm thực nghiệm ứng với S = 20 mm Hình 5.5 Các giá trị mức độ biến dạng, bán kính cong sản phẩm theo phương 75 dọc Rd của các điểm thực nghiệm ứng với S = 20 mm Hình 5.6 So sánh quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm phương dọc Rd và lực 76 ép khi thực nghiệm và mô phỏng số ứng với S = 20 mm
xi Hình 5.7 So sánh quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm phương dọc Rd và mức 76 độ biến dạng khi thực nghiệm và mô phỏng số ứng với S = 20 mm Hình 5.8 So sánh quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương dọc Rd và 77 lực ép khi thực nghiệm và mô phỏng số ứng với các chiều dày từ 10 mm đến 30 mm Hình 5.9 So sánh quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương dọc Rd và 77 mức độ biến dạng khi thực nghiệm và mô phỏng số ứng với các chiều dày từ 10 mm đến 30 mm Hình 5.10 Đồ thị biểu diễn hàm Rd(S,P) và Rd(S,2) 78 Hình 5.11 Các giá trị lực, bán kính cong sản phẩm theo phương ngang Rn 78 của các điểm thực nghiệm ứng với S = 20 mm Hình 5.12 Các giá mức độ biến dạng, bán kính cong sản phẩm theo phương 79 ngang Rn của các điểm thực nghiệm ứng với S = 20 mm Hình 5.13 So sánh quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm phương ngang Rn và lực 79 ép khi thực nghiệm và mô phỏng số ứng với S = 20 mm Hình 5.14 So sánh quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm phương ngang Rn và 80 mức độ biến dạng khi thực nghiệm và mô phỏng số ứng với S = 20 mm Hình 5.15 So sánh quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương ngang Rn 80 và lực ép khi thực nghiệm và mô phỏng số ứng với các chiều dày từ 10 mm đến 30 mm Hình 5.16 So sánh quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương ngang Rn 81 và mức độ biến dạng khi thực nghiệm và mô phỏng số ứng với các chiều dày từ 10 mm đến 30 mm Hình 5.17 Đồ thị biểu diễn hàm Rn(S,P) và Rn(S,2) 81 Hình 5.18 Hình ảnh mũi quả lê tàu kiểm ngư Việt Nam 83 Hình 5.19 Lăn theo phương chiều dài của tấm 83 0 Hình 5.20 Xoay phôi 90 , lăn theo phương chiều rộng tấm 84 Hình 5.21 Bước dịch chuyển phôi t giữa hai đường lăn ép kề nhau 84 Hình 5.22 Hình ảnh sản phẩm 1 86 Hình 5.23 Hình ảnh sản phẩm 2 88
1 MỞ ĐẦU Đối với mỗi quốc gia, công nghiệp hóa và hiện đại hóa luôn là yếu tố hết sức quan trọng, cần thiết thực hiện để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm. Đối với Việt Nam, yêu cầu tiến hành công nghiệp hóa-hiện đại hóa để đưa nền sản xuất trở thành sản xuất lớn, luôn là nhiệm vụ cấp thiết, ưu tiên hàng đầu của đất nước trong giai đoạn hiện nay. Hiện nay, nhiều trường đại học, viện nghiên cứu đang tập trung vào việc nâng cao năng lực chuyên môn ở nhiều lĩnh vực, doanh nghiệp được trang bị kiến thức sâu hơn, áp dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật để nghiên cứu và chế tạo các thiết bị máy móc mà trước đây hoàn toàn phải tự nhập của nước ngoài. Trong vòng 10 năm qua, ngành đóng tàu giữ một vị trí quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp ở Việt Nam. Nhu cầu chế tạo các chi tiết vỏ tàu với hình dạng phức tạp, độ chính xác cao, kích thước lớn ngày càng gia tăng tại các doanh nghiệp đóng tàu. Với trình độ hiện nay của các doanh nghiệp trong nước, để chế tạo các chi tiết vỏ có biên dạng phức tạp từ tấm dày, thì công nghệ sử dụng chủ yếu là cắt, gò, hàn, gia công nhiệt, hay tạo hình thủ công hoặc trên các thiết bị vạn năng, khuôn đơn giản. Như vậy khó có khả năng đáp ứng được năng suất cũng như chất lượng cao của sản phẩm. Hơn nữa những chi phí cho việc chế tạo vỏ tàu thường rất lớn, gây lãng phí mà vẫn không đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật. Trên thế giới, việc chế tạo các chi tiết vỏ tàu được thực hiện với những công nghệ hiện đại, cho phép tạo hình nhanh, chính xác như vê, miết, lăn ép, tạo hình cục bộ liên tục trên các thiết bị điều khiển số. Ở Việt Nam đã có những ý tưởng xây dựng hướng nghiên cứu công nghệ lăn ép và ứng dụng thử nghiệm trong sản xuất vỏ tàu thường có tải trọng vừa và nhỏ. Tuy nhiên chưa có tài liệu hoặc nghiên cứu cơ bản nào về các thông số trong quá trình lăn ép vỏ tàu thủy, để tạo hình các tấm cong biên dạng phức tạp theo yêu cầu của thiết kế. Do đó, việc nghiên cứu công nghệ lăn ép hiện nay rất cần thiết. Kết quả nghiên cứu là cơ sở để áp dụng, sản xuất chế tạo tại các nhà máy đóng tàu nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất cũng như chất lượng. Trên cơ sở đó, mục tiêu trong khuôn khổ luận án là thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ lăn ép đến khả năng tạo hình chi tiết vỏ tàu từ tấm dày, là phát triển công nghệ lăn ép về mặt lý thuyết, đồng thời các kết quả nghiên cứu sẽ được sử dụng khi thiết kế và chế tạo các chi tiết vỏ tàu. Đề tài luận án được đề xuất như sau “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản khi lăn ép đến khả năng tạo hình tấm dày có biên dạng phức tạp ứng dụng trong công nghệ đóng tàu” .
2 I. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 1. Mục đích của đề tài Nghiên cứu xây dựng bài toán lăn ép dựa trên lý thuyết gia công áp lực; Lý giải các nguyên nhân hiện tượng phôi tấm cong khi lăn ép; Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ cơ bản trong quá trình tạo hình bán kính cong của phôi tấm. Từ đó, thiết lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và bán kính cong của tấm theo thiết kế, áp dụng trong chế tạo thử nghiệm các chi tiết trong vỏ tàu thuỷ. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu *) Đối tượng nghiên cứu: - Thép tấm dày có mác SS400 được sử dụng phổ biến trong công nghiệp chế tạo vỏ tàu thủy. - Sản phẩm vỏ tàu thủy có biên dạng cong lồi. - Thiết bị thực nghiệm: Máy ép thủy lực 1500T, cụm con lăn ép được dẫn động riêng và lắp trên máy ép thủy lực. *) Phạm vi nghiên cứu: - Lực ép: Từ 10 Tấn đến 180 Tấn - Chiều dày phôi tấm: Từ 10mm đến 30mm - Vận tốc lăn: Từ 5 v/ph đến 30 v/ph (tương đương với vận tốc 0.525 rad/s đến 3.14 rad/s) Các nội dung nghiên cứu được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Gia công áp lực - Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các Viện nghiên cứu, Nhà máy đóng tàu Hạ Long... II. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết với thực nghiệm - Tìm hiểu các kết quả nghiên cứu đã công bố liên quan đến đề tài trong và ngoài nước, từ đó xây dựng cơ sở lý thuyết cho công nghệ lăn ép. - Nghiên cứu lý thuyết dựa trên tính toán, phân tích giải tích và mô phỏng số. - Nghiên cứu thực nghiệm, xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm trên máy công nghiệp, sử dụng thiết bị đo và các phần mềm đo hiện đại có ở Việt Nam, dữ liệu xử lý số liệu cho kết quả đảm bảo độ tin cậy. - Sử dụng phần mềm Matlab để xây dựng hàm và đồ thị quan hệ giữa các thông số công nghệ với bán kính sản phẩm tạo hình.
3 III. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1. Ý nghĩa khoa học - Đã hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về công nghệ lăn ép, phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng trên phôi tấm khi lăn ép để làm rõ hiện tượng phôi cong khi tạo hình tấm trên trục lăn có biên dạng tang trống, đường kính cặp trục lăn khác nhau. - Đã phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình lăp ép tới bán kính cong sản phẩm dựa trên mô phỏng số. - Đã xây dựng hàm số biểu diễn quan hệ giữa các thông số công nghệ với bán kính cong sản phẩm dựa trên các kết quả thực nghiệm, từ đó lựa chọn được thông số công nghệ đầu vào phù hợp để tạo hình sản phẩm tấm với bán kính cong theo thiết kế. - Luận án được sử dụng làm tài liệu tham khảo phục vụ cho việc giảng dạy, nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực chuyên ngành. 2. Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu mở ra khả năng ứng dụng công nghệ tạo hình mới cho độ chính xác và năng suất cao khi gia công chế tạo các chi tiết vỏ tàu thủy trong điều kiện Việt Nam. - Ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào việc lập quy trình và lựa chọn thông số công nghệ phù hợp khi chế tạo các chi tiết tấm dày có biên dạng cong phức tạp. - Sự thành công của công trình nghiên cứu sẽ góp phần làm chủ thiết bị và công nghệ của ngành đóng tàu Việt Nam, tạo tiền đề cho lĩnh vực tự động hóa trong sản xuất, chế tạo tàu thủy, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thiểu nhập khẩu và tránh ô nhiễm môi trường. IV. Các đóng góp mới của luận án - Giải thích được hiện tượng phôi tấm biến dạng cong trong quá trình lăn ép để tạo hình tấm dựa trên trường phân bố ứng suất và biến dạng. - Xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ: lực ép, mức độ biến dạng, vận tốc lăn tới bán kính sản phẩm khi tạo hình bằng công nghệ lăn ép. - Xây dựng phương pháp mô phỏng số để nghiên cứu quá trình lăn ép và khảo sát mối quan hệ giữa các thông số công nghệ cơ bản với bán kính cong của tấm. - Xây dựng hệ thống thực nghiệm để xác định các thông số công nghệ trong quá trình lăn ép. - Xây dựng được hàm thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công nghệ chính và bán kính sản phẩm tạo hình.
4 V. Các nội dung chính trong luận án. - Nghiên cứu công nghệ lăn ép trong tạo hình chi tiết tấm dày có biên dạng phức tạp. - Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chính như: lực ép, mức độ biến dạng, vận tốc lăn tới bán kính cong của sản phẩm tấm dựa trên mô phỏng số. - Xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm tra, đánh giá các kết quả tính toán mô phỏng. - Xây dựng hàm số thể hiện mối quan hệ giữa các thông số công nghệ chính với bán kính cong của sản phẩm dựa trên thực nghiệm. - Ứng dụng kết quả nghiên cứu trong chế tạo thử chi tiết vỏ tàu để minh chứng tính hiệu quả của công nghệ lăn ép. Luận án ngoài các mục quy định và phần mở đầu được trình bày trong 5 chương. Chương 1 tóm lược những nét chính về công nghệ tạo hình chi tiết vỏ từ tấm dày. Trong chương này đã đề cập đến các dạng chi tiết vỏ tàu thuỷ có biên dạng phức tạp và công nghệ hiện hành được sử dụng để tạo hình các chi tiết vỏ. Đặc biệt đã xem xét đến một phương pháp công nghệ mới, công nghệ lăn ép, cho hiệu quả cao khi tạo hình các chi tiết vỏ tàu thuỷ. Từ những kết quả tìm hiểu tài liệu, các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, đã đề xuất hướng, nội dung nghiên cứu cho luận án. Cơ sở lý thuyết công nghệ lăn ép được trình bày ở chương 2, trong đó đã nghiên cứu bài toán lăn ép dựa trên lý thuyết cán không đối xứng, tìm hiểu các thông số công nghệ chính ảnh hưởng tới quá trình tạo hình cũng như bán kính cong của tấm sau khi lăn. Chương 3 trình bày quá trình thực hiện mô phỏng số bài toán lăn ép và xây dựng thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả mô phỏng số. Chương 4 trình bày các kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến bán kính cong của sản phẩm tấm dựa trên mô phỏng số. Việc xây dựng mối quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm và các thông số công nghệ dựa trên thực nghiệm được trình bày trong chương 5. Trong chương này cũng trình bày các hình ảnh sản phẩm vỏ tàu thuỷ được chế tạo thử nghiệm bằng công nghệ lăn ép.
5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH CHI TIẾT VỎ TỪ TẤM DẦY 1.1 Các chi tiết tấm hình dạng phức tạp, cỡ lớn trong công nghiệp đóng tàu Trong công nghiệp đóng tàu, vỏ và máy tàu là hai yếu tố quan trọng, chiếm tỷ trọng lớn nhất về giá trị con tàu, cho nên công nghiệp đóng tàu trước hết cần tập trung đầu tư vào công nghệ chế tạo vỏ tàu thủy để nâng cao hiệu quả, và tiết kiệm chi phí sản xuất, tăng năng lực cạnh tranh. Theo [13, 14, 20] cấu tạo của thân vỏ tàu được ghép lại bởi các tấm có biên dạng cong phức tạp. Các biên dạng này đóng vai trò rất quan trọng trong chuyển động của tàu trong môi trường nước. Vỏ tàu thuỷ được chế tạo từ nhiều chi tiết tấm có chiều dày, biên dạng cong phức tạp. Việc chế tạo các chi tiết này chủ yếu dựa trên các phương pháp tạo hình truyền thống như uốn, nắn, tạo hình bằng gia nhiệt hay lốc các tấm có kích thước nhỏ trên các thiết bị máy ép vạn năng sau đó hàn ghép lại [1, 8, 16]. Như vậy, năng suất cũng như chất lượng sản phẩm không cao. Trong khi đó các chi tiết vỏ tàu thủy thường có biên dạng cong phức tạp. Độ chính xác và năng suất chế tạo tấm cong phức tạp trong vỏ tàu thủy luôn là một vấn đề cần quan tâm nghiên cứu. Việc tạo hình các tấm kim loại theo thiết kế và điều khiển được các thông số công nghệ như lực ép, mức độ biến dạng, vận tốc lăn…v.v là mục tiêu mà các nhà máy kỹ thuật hướng tới. Dưới đây, trình bày một vài vài hình ảnh tấm có biên dạng cong ứng dụng trong đóng vỏ tàu thủy hiện nay.
6 Hình 1.1 Tấm có biên dạng cong phức tạp sử dụng trong sản xuất vỏ tàu Các chi tiết vỏ tàu được chế tạo và lắp ráp ngay tại công trường, nên công nghệ chế tạo đòi hỏi đơn giản, dễ vận chuyển, linh hoạt, dễ tự động hóa, thuận tiện cho việc lắp ráp thành vỏ con tàu lớn. Hình 1.2 Hình ảnh vỏ tàu thủy [13] 1.2 Các phương pháp tạo hình chi tiết vỏ Công nghệ tạo hình tấm đã được nghiên cứu, ứng dụng rất phổ biến trong ngành cơ khí. Các công nghệ tạo hình tấm truyền thống như dập vuốt, uốn, nắn, tóp lên vành được thực hiện bằng khuôn lắp trên máy ép trục khuỷu hay máy ép thủy lực [1, 9, 15]. Hầu hết các chi tiết, sản phẩm tuy có biên dạng phức tạp, nhưng có chiều dày không lớn (thường nhỏ hơn 2,0 mm) và được ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp dân dụng, hóa chất, ô tô, xe máy, quốc phòng. Đối với ngành công nghiệp chế tạo vỏ tàu thủy thì các phương pháp công nghệ tạo hình trên không phù hợp, bởi các chi tiết vỏ tàu là các tấm lớn có biên dạng cong phức tạp chiều dày từ 10 mm đến 30 mm [9]. Công nghệ chế tạo vỏ tàu thủy hiện vẫn thường sử dụng các nguyên công đơn giản để tạo hình các chi tiết có biên dạng phức tạp, kích thước lớn như uốn tự do, gia nhiệt cục bộ, uốn lốc... [16]. Các tấm lớn được tách thành các tấm có các hình dạng nhỏ và đơn giản hơn sau đó nối lại bằng phương pháp hàn.
7 1.2.1 Phương pháp uốn Uốn là một phương pháp nhằm biến đổi các phôi có trục thẳng thành các chi tiết có trục cong. Phương pháp này đảm bảo độ cong đồng đều của tấm. Nếu uốn tự do và mức độ biến dạng nhỏ, thì độ chính xác của tấm phụ thuộc rất lớn vào năng lực và tay nghề của người công nhân. Thời gian gia công dài, phải tạo hình từ từ và thường xuyên cần dưỡng kiểm tra biên dạng. Hiện nay, ngành đóng tàu sử dụng chủ yếu phương pháp này bởi các tấm thường lớn, khó có thể uốn bằng khuôn. Nếu sản xuất tự động thì cần có thiết bị phù hợp [10, 13, 14, 20, 61] để thực hiện vận chuyển và đưa phôi vào máy. Phương pháp uốn được mô tả như hình dưới đây (hình 1.3, hình 1.4). Hình 1.3 Sơ đồ uốn trên khuôn [9, 16] Hình 1.4 Một số hình ảnh uốn phôi tấm trên máy ép thủy lực
8 Ưu điểm : Khuôn có kết cấu đơn giản, dễ dàng thực hiện trên các máy thủy lực với lực danh nghĩa lớn 200T÷1500T. Sản phẩm uốn đa dạng, có thể tạo ra các chi tiết có bán kính cong lớn và được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Nhược điểm: Khó tạo được những biên dạng cong phức tạp, phải kết hợp với các phương pháp khác như cắt rời, cắt hình, hàn, ghép để tạo được chi tiết phức tạp, sản phẩm có độ chính xác không cao, quá trình tạo hình mất nhiều thời gian. 1.2.2 Tạo hình dựa trên biến dạng nhiệt Nhiều chi tiết có biên dạng phức tạp nên trước hết phải uốn chi tiết thành các biên dạng cong cơ bản (cong theo một phương), sau đó gia nhiệt cục bộ. Biến dạng nhiệt làm cho tấm bị dãn nở cục bộ và cong lên. Nếu lựa chọn vị trí gia nhiệt hợp lý, ví dụ như gia nhiệt ở vị trí mép ngoài tấm làm chiều dài mép ngoài tăng lên, như vậy có thể làm cho tấm bị cong theo các phương khác nhau và tạo ra tấm cong 3D (hình 1.5). Hình 1.5 Một số hình ảnh chế tạo tấm cong từ phôi thép phẳng bằng phương pháp gia nhiệt cục bộ bằng ngọn lửa Oxy - Axetylen Trong quá trình gia nhiệt có thể xảy ra đồng thời hai hoặc nhiều dạng biến dạng bao gồm: biến dạng dọc, ngang, góc, xoắn và uốn cong. Các chi tiết tấm sau khi tạo hình được ghép nối theo phương pháp hàn truyền thống.
9 Hình 1.6 Kết cấu hàn trong cấu tạo thân vỏ tàu [20] Biến dạng xảy ra do sự co ngót không đều của mối hàn và kim loại cơ bản khi nung nóng, làm nguội, ứng suất xuất hiện ở mối hàn là kết quả của những thay đổi về thể tích, của các kết cấu kẹp. Có thể gây biến dạng kết cấu vỏ, làm giảm độ chính xác, thậm chí có thể gây xé rách hoặc đứt gãy [13, 14, 20]. Có nhiều yếu tố gây nên biến dạng sau khi hàn và khó dự báo chính xác mức độ biến dạng có thể xảy ra. Một số yếu tố cần được xem xét bao gồm hệ thống gá kẹp, đặc tính nhiệt và các tính chất của vật liệu gốc; ứng suất dư được sinh ra từ quá trình gia công kim loại trước đó như cán, tạo hình và uốn; kiểu mối hàn; độ chính xác gia công và bản chất của quá trình hàn, tính đối xứng của mối nối, gia nhiệt trước và trình tự hàn. Ưu điểm: Phương pháp đơn giản, có thể chế tạo được các chi tiết có kích thước lớn. Vì được hàn ghép nối từ các chi tiết nhỏ nên có thể chế tạo được các sản phẩm có hình dạng và kích thước rất đa dạng. Nhược điểm: Sản phẩm có độ chính xác thấp, thời gian chế tạo dài nên năng suất thấp. Kết cấu vỏ có độ bền không đồng đều bởi nhiều vị trí chịu ảnh hưởng của nhiệt làm thay đổi tổ chức vật liệu. 1.2.3 Uốn lốc trên máy 3 trục, 4 trục Khi chế tạo các chi tiết biên dạng trụ hoặc côn, đường cong hở hoặc khép kín, có thể sử dụng công nghệ uốn lốc trên các máy uốn 3 trục, 4 trục... Phôi thép được cuốn vào các trục và bị uốn cong bởi chuyển động của các trục lăn theo nguyên lý uốn, lốc [13, 14, 16, 20, 22, 23, 59]. Ưu điểm: Sản phẩm có độ chính xác cao, thời gian chế tạo sản phẩm ngắn nên năng suất cao. Nhược điểm: Thường chỉ chế tạo được các sản phẩm có biên dạng dạng trụ hoặc dạng côn.