Luận văn 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

  • 28 trang
  • file .pdf
Luận văn Thạc sĩ
TÓM TẮT
Trong phạm vi luận văn này, tác giả tiến hành mô phỏng quá trình biến dạng
dẻo của ống kim loại bằng phương pháp phần tử hữu hạn, thông qua chương trình
ANSYS. Mô hình phần tử hữu hạn được xây dựng dựa trên máy uốn ống thủ công
đang hoạt động tại công ty TNHH Nguyễn Trình, tỉnh Trà Vinh. Quá trình mô
phỏng tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của tỉ số D/t (Đường kính ống/ Chiều dày
ống) đến một vài dạng hư hỏng phổ biến trong quá trình gia công như hiện tượng
nhăn, biến dạng mặt cắt ngang tại đoạn uốn. Kết hợp so sánh kết quả mô phỏng với
dự đoán các hiện tượng hư hỏng bằng phương pháp năng lượng, phương pháp thực
nghiệm uốn ống sử dụng lõi cầu đưa vào bên trong ống để thực hiện quá trình uốn
và sử dụng dầu nén thủy lực thay cho quả cầu. Qua đó, đề xuất những giải pháp để
hạn chế, khắc phục các dạng hư hỏng này.
Trang 6
Luận văn Thạc sĩ
Mục lục Trang
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 8
1.1 Giới thiệu chung: 8
1.2 Tình hình nghiên cứu về quá trình gia công biến dạng dẻo. 13
1.2.1 Ngoài nuớc: 13
1.2.1.1 Giới hạn nhăn trong uốn ống. [1] 13
1.2.1.2 Nghiên cứu ứng xử biến dạng của ống thành mỏng trên máy 14
uốn điều khiển số với đường kính lớn và bán kính uốn nhỏ. [2]
1.2.1.3 Phân tích hiện tượng nhăn làm hạn chế tạo hình trong quá trình 15
uốn ống.[3]
1.2.1.4 Nghiên cứu về ảnh hưởng của ma sát trong quá trình uốn 16
ống.[4]
1.2.1.5 Nghiên cứu về thiết kế và chế tạo khuôn uốn tự động: 17
1.2.2 Một số tính năng của máy uốn tự động. 18
1.2.2.1 Máy uốn tuýp 1900. 18
1.2.2.2 Máy uốn thủy lực có cữ chắn sau. 19
1.2.2.3 Máy uốn ống thủy lực 1 đầu CNC 20
1.2.2 Trong nước: 21
1.3 Giới thiệu đề tài: 24
1.4 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu: 25
1.4.1 Phương pháp nghiên cứu: 25
1.4.2 Phương tiện nghiên cứu 25
1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 26
1.5.1 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu: 26
1.5.2 Phạm vi nghiên cứu. 26
1.5.3 Kết quả thực hiện của luận văn: 26
1.6 Kết luận: 26
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 28
2.1 Cơ chế biến dạng dẻo kim loại. 28
2.1.1 Biến dạng đàn hồi và dẻo của kim loại, phân biệt với phá hủy 28
2.1.2 Hóa bền khi biến dạng dẻo nguội 29
Trang 8
Luận văn Thạc sĩ
2.1.3 Hiện tượng và đặc điểm của biến cứng nguội 30
2.1.4 Biến dạng thực và biến dạng tương đối 32
2.1.5 Các dạng đường cong biến cứng - đường cong ứng suất biến 33
dạng
2.2 Ma sát tiếp xúc trong gia công áp lực 38
2.2.1 Khái niệm, tác dụng, phân loại, đặc điểm của ma sát trong 38
biến dạng dẻo
2.2.2 Cơ chế sinh ra ma sát. 41
2.2.3 Định luật về lực ma sát trượt bề mặt tiếp xúc 43
2.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực ma sát tiếp xúc. 46
2.3 Điều kiện dẻo và quá trình biến dạng dẻo 48
2.3.1 Điều kiện chảy dẻo Tresca-Saint-Venant 48
2.3.2 Điều kiện dẻo năng lượng biến dạng không đổi 49
2.3.3 Ý nghĩa vật lý - hình học của điều kiện dẻo 51
2.4. Lý thuyết chảy dẻo 55
2.4.1 Lý thuyết Prandtl – Reuss đối với vật liệu dẻo lý tưởng 57
2.4.2 Lý thuyết chảy dẻo Saint Venant – Lévy – Mises 58
2.4.3 Lý thuyết Prager – Reuss 59
2.5 Kết luận 59
CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ 60
3.1 Mô hình thực tế. 60
3.2 Nguyên lý làm việc của máy uốn ống thủ công: 61
3.3 Tính toán các thông số cơ bản của máy uốn 62
3.4. Ảnh hưởng thông số hình học của vật liệu ống: 66
3.5 Ảnh hưởng các thông số công nghệ: 67
Kết luận: 67
CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ 68
CÔNG NGHỆ ĐẾN QUÁ TRÌNH GIA CÔNG BIẾN DẠNG DẺO
ỐNG
4.1 Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến quá trình gia công biến 68
dạng dẻo
Trang 9
Luận văn Thạc sĩ
4.2 Mô phỏng 68
4.2.1. Mô hình phần tử hữu hạn cho bài toán uốn ống 68
4.2.1.1. Cơ sở lý thuyết 68
4.2.1.2. Mô hình hình học 70
4.2.1.3. Mô hình vật liệu 71
4.2.1.4. Điều kiện mô phỏng 71
4.2.1.5. Các trường hợp tính 72
4.3. Kết quả mô phỏng và nhận xét 72
4.3.1. Trường hợp 1 73
4.3.2. Trường hợp 2 74
4.3.3. Trường hợp 3 75
4.3.4. Trường hợp 4 76
4.3.5. Trường hợp 5 78
4.3.6. Trường hợp 6 81
4.3.7. Trường hợp 7 82
4.3.8. Trường hợp 8 83
4.3.9. Trường hợp 9 84
4.3.10 Mô phỏng uốn ống sử dụng áp lực dầu bên trong ống. 85
4.4 Thiết lập phương pháp năng lượng: 85
4.4.1. Mô hình hình học 85
4.4.2. Giới thiệu hàm sóng – nhăn. 87
4.4.3 Thiết lập mô hình dự đoán nhăn 88
4.5 Kết luận: 90
CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM GIA CÔNG BIẾN DẠNG DẺO 91
ỐNG
5.1 Trường hợp 1: Gia công biến dạng dẻo ống không dùng lõi uốn. 91
5.1.1 Chuẩn bị 91
5.1.2 Thực nghiệm 91
5.1.3 Kết quả thực nghiệm 92
5.2 Trường hợp 2: Gia công biến dạng dẻo ống dùng lõi uốn. 93
5.2.1 Chuẩn bị 93
Trang 10
Luận văn Thạc sĩ
5.2.2 Thực nghiệm 93
5.2.3 Kết quả thực nghiệm 94
5.3 Gia công biến dạng dẻo ống dùng áp lực dầu bên trong mẫu thữ 95
5.3.1 Chuẩn bị 95
5.3.1.1 Thiết bị bơm thủy lực 95
5.3.1.2 Nguyên lý hoạt động của thiết bị bơm thủy lực 96
5.3.1.3 Mẫu thữ 97
5.3.2. Quá trình thực nghiệm 97
5.3.3 Kết quả thực nghiệm 98
5.4. Kết quả thực nghiệm và nhận xét 99
5.5 Kết luận: 100
CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101
6.1 Kết luận 101
6.2 Kiến nghị 102
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 103
Tài liệu tham khảo 104
Phụ lục 105
Trang 11
Luận văn Thạc sĩ
DANH MỤC HÌNH Trang
Hình 1.1: Các bộ phận chính của dụng cụ uốn. 8
Hình 1.2a: uốn ép Hình 1.2b: uốn ấn Hình 1.2c: uốn quay 8
Hình 1.3: Sơ đồ uốn quay 9
Hình 1.4: Chi tiết ống dẫn dầu và sécmăng dùng trong động cơ Diesel 11
Hình 1.5: Ống dẫn trong hệ thống điện lạnh. 11
Hình 1.6: Vòm cầu thép 12
Hình 1.7: Chi tiết uốn trên sản phẩm cao cấp 12
Hình 1.8: Chi tiết uốn trên bàn- ghế 12
Hình 1.9: Chi tiết uốn trên lan can cầu thang 13
Hình 1.10: Máy uốn tuýp 190 độ 19
Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật máy uốn- Model YS 19
Trang 12
Luận văn Thạc sĩ
Hình 1.11: Thiết bị máy uốn ống thủy lực có cử chắn sau. 20
Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật máy uốn ống thủy lực. 20
Hình 1.12: Máy uốn ống một đầu thủy lực CNC- model TSR 21
Bảng 1.3: Thông số kỹ thuật TSR 21
Hình 1.13: Mẫu thử bị nhăn gãy cúp tại mặt duới của đoạn uốn. 22
Hình 1. 14: Mẫu thử bị móp tại mặt trên của đoạn uốn. 23
Hình 1.15. Sản phẩm mẫu được gia công trên thiết bị tự động. 24
Hình 1.16: Thiết bị gia công biến dạng dẻo được sản xuất tại Việt Nam. 24
Hình 2.1: Biến dạng bảo toàn thể tích. 29
Hình 2.2: Hình biểu diễn đường cong biến cứng vật liệu. 30
Hình 2.3: Hình dáng hạt trước và sau biến dạng. 31
Hình 2.4: Chuyển vị tương đối cặp ma sát. 40
Hình 2.5: Nhấp nhô bề mặt sau gia công cơ. 41
Hình 2.6: Trường ma sát khi gia công cơ liên tục. 42
Hình 2.7: Hệ số ma sát thay đổi theo giai đoạn 46
Hình 2.8: Sơ đồ biểu diễn quan hệ giữa hệ số ma sát và áp lực đơn vị. 47
Hình 2.9: Ứng suất chính trong khối lăng trụ. 53
Hình 2.10: Điều kiện dẻo năng lượng biến dạng không đổi. 54
Hình 3.1: Mô hình máy uốn thủ công 60
Hình 3.2: Bộ phận chính của dụng cụ uốn thủ công 61
Hình 3.3. Các hư hỏng thường gặp khi gia công 62
Hình 3.4: Biểu đồ mẫu thí nghiệm kéo vật liệu thép ống Φ49 t = 1.4mm 62
Hình 3.5: Biểu đồ mẫu thí nghiệm kéo vật liệu Inox ống Φ50 t = 1.2mm 63
Hình 3.6: Biểu đồ mẫu thí nghiệm kéo th ép ống 40x80mm 63
x1.4mm
Hình 3.7: Sơ đồ truyền động của máy uốn thủ công 64
Bảng 3.1: Phân phối tỷ số truyền cho hộp giảm tốc. 66
Hình 4.1. Giải thuật Newton-Rhapson 69
Hình 4.2. Vector vị trí và chuyển động của vật thể. 69
Bảng 4.1. Kích thước hình học 70
Hình 4.3: Mô hình hình học của máy uốn 70
Bảng 4.2 Thông số vật liệu của ống 71
Trang 13
Luận văn Thạc sĩ
Hình 4.4: Mô hình vật liệu đàn dẻo 71
Hình 4.5: Phần tử SOLID185 71
Bảng 4.3. Mô hình tiếp xúc giữa các bộ phận 72
Hình 4.6. Mô hình tiếp xúc giữa các bộ phận. 72
Bảng 4.4. Các trường hợp tính 72
Hình 4.7: Độ lún cho phép. 73
Hình 4.8a. Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 1 73
Hình 4.8b. Kết quả mô phỏng cho trường hợp 1 74
Hình 4.9a. Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 2 75
Hình 4.9b: Kết quả mô phỏng cho trường hợp 2 75
Hình 4.10a: Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 3 76
Hình 4.10b: Kết quả mô phỏng cho trường hợp 3 76
Hình 4.11a: Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 4 77
Hình 4.11b: Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 4 77
Hình 4.11c: Kết quả mô phỏng cho trường hợp 4 78
Hình 4.12a: Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 5 79
Hình 4.12b: Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 5 80
Hình 4.12c: Kết quả mô phỏng cho trường hợp 5 80
Hình 4.13a: Kết quả mô phỏng cho trường hợp 6 81
Hình 4.13b:. Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 6 81
Hình 4.14a: Kết quả mô phỏng cho trường hợp 7 82
Hình 4.14b: Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 7 82
Hình 4.15a: Kết quả mô phỏng cho trường hợp 8 83
Hình 4.15b. Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 8 83
Hình 4.16a: Kết quả mô phỏng cho trường hợp 9 84
Hình 4.16b: Phân bố ứng suất von-Mises cho trường hợp 9 84
Hình 4.17: Phân bố ứng suất von-Mises tại các giá trị áp lực dầu P=2; 1.8; 1.6 85
MPa
Hình 4.18: Phân bố ứng suất von-Mises tại các giá trị áp lực dầu P=2; 1.8; 1.6 85
MPa
Hình 4.19: Mô hình hình học quá trình uốn. 86
Hình 4.20: Thông số hình học đoạn ống sau khi uốn. 88
Trang 14
Luận văn Thạc sĩ
Hình 4.21: Sơ đồ phân bố ứng suất nén. 90
Bảng 5.1 Kích thước hình học mẫu uốn 91
Hình 5.1: Sơ đồ máy uốn quay 91
Hình 5.2: Mẫu thữ đã lắp vào thiết bị. 92
Hình 5.3 Sản phẩm thực nghiệm không dùng lõi uốn. 92
Hình 5.4: Chuẩn bị lõi uốn. 93
Hình 5.5: Lắp đặt lõi uốn 94
Hình 5.6 Sản phẩm thực nghiệm dùng lõi uốn. 94
Hình 5.7: Van đảo chiều tác động bằng tay. 95
Hình 5.8: Đồng hồ đo áp suất 95
Hình 5.9: Van tiết lưu điều chỉnh bằng núm xoay. 96
Hình 5.10: Đầu nối tháo nhanh ống dẫn dầu. 96
Hình 5.11: Sơ đồ lắp đặt các phần tử điều khiển thủy lực. 96
Hình 5.12: Mẫu uốn. 97
Hình 5.13: Thực nghiệm uốn ống có sử dụng dầu nén. 98
Hình 5.14: Sản phẩm uốn với áp suất P=30kg/cm2 98
Hình 5.12: Sản phẩm uốn với áp suất P=45kg/cm2 98
Hình 5.15: Sản phẩm uốn với áp suất P=60kg/cm2 99
Hình 5.16: Sản phẩm bị khuyết tật do vị trí đặt quả cầu. 99
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu chung:
Nhằm nâng cao cơ tính của vật liệu ống, người ta dùng phương pháp uốn. Với
mục đích chủ yếu là giảm tối thiểu khối lượng vật liệu nhưng vẫn đảm bảo độ bền
cao. Các nghiên cứu về kết cấu ống mỏng qua quá trình uốn. Quá trình này được
thực hiện trên máy uốn vạn năng, máy uốn bán tự động... Có nhiều lọai thiết bị uốn
nhưng chúng có đặc điểm chung là kết cấu khuôn uốn giống nhau. Hình 1.1 trình
bày các bộ phận chính của khuôn uốn. Trong quá trình uốn ống được thực hiện theo
bốn phương pháp: Uốn ép, uốn ấn, và uốn quay được trình bày trong hình 1.2a,
1.2b, 1.2c [2].
Lỏi uốn Thanh đỡ
dọc Puly uốn
Thanh Trang 15
trượt dọc Thanh
trượt uốn
Luận văn Thạc sĩ
Hình 1.1: Các bộ phận chính của dụng cụ uốn.
Hình 1.2a: uốn ép Hình 1.2b: uốn ấn Hình 1.2c: uốn quay
Phương pháp uốn quay được chọn làm mô hình nghiên cứu trong đề tài này. Do
phương pháp này có những đặc điểm nổi bậc như sau:
(1) Trong phương pháp uốn quay có sử dụng thêm lỏi uốn nên mở rộng khả
năng uốn của phương pháp này.
(2) Uốn được loại ống có chiều dày nhỏ hơn so với hai phương pháp kia.
(3) Linh hoạt giảm góc uốn.
Quá trình uống bằng phương pháp uốn quay được minh họa trong hình 1.3. [3]
Thanh Thanh
trượt uốn trược dọc
ống
Lỏi uốn
Thanh Puly uốn
trượt uốn Trang 16
Thanh
trượt
dọc
Luận văn Thạc sĩ
Hình 1.3: Sơ đồ uốn quay
Nhằm thỏa mãn yêu cầu về vật liệu nhẹ có độ bền cao, các kết cấu uốn ống
mỏng thì rất phù hợp để mở rộng khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực hàng
không, vũ trụ, xe hơi và các ngành công nghiệp kỹ thuật cao khác [4]. Giữa các quá
trình uốn khác nhau, uốn ống mỏng điều khiển số được sử dụng trong các lĩnh vực
trên, phương pháp uốn quay thường được sử dụng nhất được trình bày trong hình
1.2c [16]. Tuy nhiên, quá trình uốn là quá trình vật lý phi tuyến với ảnh hưởng của
phép quay, biến dạng lớn và các nhân tố kép. Các hiện tượng hư hỏng chính như
nhăn, quá mỏng, mặt cắt ngang bị phá hủy và springback… Hiện tại nhu cầu tăng
đối với các ống uốn có đường kính lớn và bán kính uốn nhỏ (D/t >20, Rd/D <2).
Hai yếu tố này không đồng bộ các thì các hiện tượng hư hỏng trên dể xuất hiện.
Dung sai khác nhau trong các lĩnh vực khác nhau làm cho việc chọn các xấp xỉ các
thông số quá trình. Tránh các hư hỏng và thực hiện dự đoán trong uốn ống, cái cấp
thiết là hiểu rõ các tác dụng của ứng xử uốn trong quá trình uốn điều khiển số với
D/t lớn và Rd/D nhỏ.[4] Trong đó D là đường kính ngoài của ống kim loại; t là
chiều dày của ống; Rd là bán kính uốn(bán kính puly uốn)
Trang 17
Luận văn Thạc sĩ
Có nhiều ảnh hưởng đã được nghiên cứu và báo cáo trong kỹ thuật uốn ống.
Peek [5] gia công uốn thuần túy như vấn đề biến dạng phẳng, dự đoán điểm hạn
chế co rút và nhăn. Corona [6] đưa ra công thức dự đoán biến dạng mặt cắt ngang
của ống có thành mỏng trong đoạn uốn và tìm ra áp lực cao hơn để giảm
springback của ống trong quá trình uốn nhưng gây ra biến dạng mặt cắt ngang lớn.
Clausen et al. [7] nghiên cứu trên đoạn uốn và tìm biến dạng cục bộ trên mặt cắt
ngang được điều chỉnh bởi hình dáng và lực kéo. Các thông số chính dẫn đến
springback là hệ số biến cứng và lực kéo. Sử dụng lý thuyết biến dạng dẻo, Tang
[8] thiết lập được vài công thức về uốn ống bao gồm phân bố ứng suất/biến dạng,
thay đổi chiều dày ống, độ biến dạng mặt cắt ngang và mômen uốn. Wang and
Agarwal [9] dự đoán phá hủy mặt cắt ngang và thay đổi chiều dày của ống trong
quá trình uốn với lực dọc trục và áp lực bên trong. Pan and Stelson [10] sử dụng
nguyên lý năng lượng để giải quyết biến dạng của mặt cắt ngang và chiều dày thay
đổi của uốn dẻo ống. Dựa vào nguyên lý năng lượng Wang and Cao [11] tìm ra bán
kính uốn nhỏ nhất mà không bị nhăn trong quá trình uốn quay như tính năng của
ống hình dáng dụng cụ và tính chất vật liệu. Oliveira et al. [10] thực nghiệm nghiên
cứu ảnh hưởng của dầu bôi trơn trong uốn ống. Trana [15] nghiên cứu ảnh hưởng
của thành mỏng sau quá trình tạo hình. Qua nghiên cứu mục tiêu chính trong uốn
thuần túy và biến dạng và đoạn uốn bằng phương pháp giải tích và thực nghiệm,
nội dung nghiên cứu sẽ cung cấp cơ bản sự khảo sát phù hợp của uốn ống mỏng
điều khiển số. Trong thực tế, để thấu đáo quá trình, nhất là với D/t lớn và Rd/D
nhỏ, phương pháp thử và sai là chính để sử dụng thực hiện quá trình thiết kế và lắp
đặt công cụ, nhiều sai sót rất khó đạt hiệu quả [16].
Ngoài ra chi tiết ống được sử dụng nhiều trong các thiết bị, vật dụng phục vụ
trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tùy theo từng mục đích sử dụng cụ thể mà người
ta chọn các phương pháp gia công chi tiết ống khác nhau nhằm đảm bảo cho nhu
cầu sử dụng. Các phương pháp gia công có thể là: hàn, gia công cắt gọt, đúc,
uốn…Trong các phương pháp trên thì phương pháp uốn hay gia công biến dạng
dẻo được sử dụng phổ biến, gia công biến dạng dẻo ống kim loại để tạo ra hình
dáng chi tiết ống mong muốn phục vụ cho từng lĩnh vực cụ thể. Dưới đây là một số
hình ảnh minh họa cho các vật dụng thiết bị được tạo thành từ chi tiết ống qua gia
công biến dạng dẻo:
Trang 18
Luận văn Thạc sĩ
 Thiết bị máy móc:
Hình 1.4: Chi tiết ống dẫn dầu và sécmăng dùng trong động cơ Diesel
Thiết bị điện lạnh:
Hình 1.5: Ống dẫn trong hệ thống điện lạnh.
 Lĩnh vực giao thông:
Hình 1.6: Vòm cầu thép
Trang 19
Luận văn Thạc sĩ
 Lĩnh vực trang trí nội thất và dụng cụ y tế
Hình 1.7: Chi tiết uốn trên sản phẩm Giường bệnh viện - Giường ngủ cao cấp
Hình 1.8: Chi tiết uốn trên bàn- ghế
Trang 20
Luận văn Thạc sĩ
Hình 1.9: Chi tiết uốn trên lan can cầu thang
1.2 Tình hình nghiên cứu về quá trình gia công biến dạng dẻo.
1.2.1 Ngoài nuớc:
1.2.1.1 Giới hạn nhăn trong uốn ống. [1]
Nội dung nghiên cứu đưa ra phương pháp xấp xỉ năng lượng đề nghị bán kính
uốn nhỏ nhất, không nhăn trong quá trình uốn ống: xét ảnh hưởng thông số của
ống, hình dáng dụng cụ và tính chất vật liệu. Một mô hình cặp đường cong được
thiết lập theo lý thuyết biến dạng, mô hình này trình bày sự đánh giá và dự đoán
trước các thông số của dụng cụ uốn trong quá trình uốn ống.
Sự thách thức chủ yếu cho ống là sự đánh giá đúng các thông số dụng cụ
các điều kiện quá trình uốn. Một số chi tiết ống qua quá trình gia công tạo hình,
như công nghệ ống xã của động cơ, các cấu trúc gốc động cơ thì giai đoạn uốn ống
là bước đầu tiên cho quá trình tạo hình. Trong lúc uốn ống quay như hình 1.3 -
Stelson and Lou [6], cơ cấu kẹp cố định bên trong ống được giữ chặt khuôn uốn tại
đầu cuối. Thanh trượt uốn biến dạng ống đến góc uốn mong muốn. Một lõi uốn
được sử dụng lồng trong ống nhằm ngăn cản sự biến dạng mặt cắt ngang của ống -
Li et al. [9]. Kết quả uốn, ứng suất nén tăng bên trong phần ống gần khuôn uốn. Do
đó các vết nhăn cục bộ hình thành. Nếp nhăn là hiện tượng nén không ổn định. Sự
hình thành đàn hồi trong uốn ống đã được nghiên cứu bởi Li and Stelson [4],
Stelson and Lou [6] …Tuy nhiên vấn đề hình thành nếp nhăn trong uốn ống chưa
được quan tâm nhiều. Hiện tại kỹ nghệ thực tiễn bổ sung vào dung sai thiết kế vấn
đề không có hình dạng nếp nhăn trong uốn ống. Với nhu cầu càng tăng về tính kinh
tế thiết kế cho sự chế tạo, một sự dự đoán trước các thông số tin cậy cho dụng cụ
uốn thì rất cần thiết.
Kết luận của nghiên cứu:
Dự đoán nhăn trong qua trình uốn ống là một vấn đề thử thách. Phân tích
ống cong là phân tích oằn của tấm với hai mép cong. Mô hình phân tích cho hiện
tượng nhăn là tấm có hai mép cong đàn dẻo bằng phương pháp xấp xĩ năng lượng
và ảnh hưởng của diện tích nén. Bằng cách xác định xấp xỉ điều kiện biên, điều
kiện tiêu chuẩn thu được từ phương trình cân bằng năng lượng.
Trang 21
Luận văn Thạc sĩ
Mô hình đơn giản được thiết lập cho vấn đề uốn ống và điều kiện chuẩn là bán
kính uốn và bước sóng. Ảnh hưởng đáng kể của bán kính ống và chiều dày ống với
bán kính uốn nhỏ nhất bỏ qua nhăn. Bán kính uốn này tăng khi tăng đường kính và
giảm chiều dày ống. Hơn nữa, hệ số mũ biến cứng của vật liệu n thì ảnh hưởng của
tính chất vật liệu không đáng kể đến bán kính uốn. Nghiên cứu này cung cấp cho
thiết kế về thông số dụng cụ uốn và thông số tạo hình do đó lọai trừ nghiên cứu
thử-sai.
1.2.1.2 Nghiên cứu ứng xử biến dạng của ống thành mỏng trên máy uốn điều
khiển số với đường kính lớn và bán kính uốn nhỏ. [2]
Đối với nhăn thành mỏng và biến dạng mặt cắt ngang, kết hợp với mô tả phân
tích ứng xử biến dạng của quá trình uốn ống mỏng với đường kính lớn D/t (50-87)
và bán kính uốn nhỏ Rd/D (1-2) đã được khảo sát qua hàng lọat mô hình 3D-FE
trong môi trường ABAQUS. Kết quả thấy rằng:
Đặc điểm phân đoạn là quan sát biến dạng dẻo như ảnh hưởng của khu vực
kéo/nén sc=st, phân bố ứng suất/biến dạng, xu hướng nhăn, biến dạng thành mỏng
và mặt cắt ngang. Rd/D nhỏ, tăng ứng suất tiếp và trở nên không đồng nhất. Ứng
suất tiếp cực đại σφ tại mặt bụng vòm tăng 46% với Rd/D (2-1.2). Trong khi đó sự
phân bố σφ gần tương đương với D/t lớn. Rd/D và D/t, tốc độ biến thiên của vật
liệu ống trở nên rõ ràng hơn.
Xu hướng nhăn và mặt cắt ngang độ biến dạng tăng ΔD với Rd/D nhỏ và D/t
lớn; với Rd/D nhỏ hơn, cả hai thành mỏng và dày đều tăng lần lượt là 24.0% and
52.5%. Tuy nhiên với D/t lớn, thành mỏng tăng ít và thành dày tăng đáng kể. Thành
mỏng và thành dày tăng cực đại lần lượt là 31.3% và 58.9%.
1.2.1.3 Phân tích hiện tượng nhăn làm hạn chế tạo hình trong quá trình uốn
ống.[3]
Quá trình uốn ống thành mỏng có thể sinh ra hiện tượng nhăn nếu như các
thông số quá trình không phù hợp, đặc biệt đối với ống có đường kính lớn và thành
mỏng. Để dự đoán hiện tượng này nhanh và đúng đắn là một vấn đề cấp thiết để
giải quyết quá trình này. Trong nội dung nghiên cứu này, dự kiến một hàm sóng
nhăn và một mô hình dự đoán nhăn đơn giản để dự đoán bán kính uốn nhỏ nhất cho
ống được thiết lập dựa trên cơ sở lý thuyết tấm mỏng, lý thuyết tạo hình, nguyên lý
năng lượng và hàm sóng. Bán kính uốn nhỏ nhất dựa trên các phương pháp thiết lập
Trang 22
Luận văn Thạc sĩ
phù hợp bảng dữ liệu. Ngoài ra, ảnh hưởng các thông số quá trình đến bán kính uốn
nhỏ nhất được phân tích (1) ảnh hưởng của góc uốn đến bán kính uốn nhỏ nhất là
không đáng kể. (2) ảnh hưởng của kích thước hình học và tính chất vật liệu của ống
là rất lớn; (3) bán kính uốn nhỏ nhất trở nên lớn hơn với bán kính gốc và hệ số biến
cứng của ống tăng, ngược lại với chiều dày ống và số mũ biến cứng giảm. Kết quả
giúp cho thiết kế tối ưu khuôn uốn phù hợp với quá trình trong thực tế.
Độ chính xác của quá trình uốn ống quay điều khiển số với ống có thành mỏng
là một quá trình tạo hình ống cao cấp với hiệu quả cao, độ chính xác tạo hình cao,
tiêu thụ điện năng thấp, tính linh họat tốt trong việc thay đổi góc uốn. Tuy nhiên,
mặt ngoài của ống tại bán kính uốn có thể sinh ra hiện tượng nhăn nếu như các
thông số quá trình không thích hợp nhất là đối với ống có đường kính lớn chiều dày
nhỏ. Do ứng suất nén trong quá trình uốn, đây là tiền đề của quá trình hỏng hoặc
dẫn đến hư hỏng nếu nếp nhăn bị đứt. Chúng cần được hiểu rõ để 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.
1.2.1.4 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.
3. Ảnh hưởng ma sát giữa dụng cụ uốn và ống trên phần mỏng nhỏ hơn phần biến
dạng.
4. 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.
1.2.1.5 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 …
1.2.2 Một số tính năng của máy uốn tự động.
1.2.2.1 Máy uốn tuýp 1900.
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.
Hình 1.10: 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 0-2.5 0-1.5
Trang 26