Tóm tắt Luận án 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 mm 2 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 Bảng 3.2 Tổng hợp kết quả mô phỏng trường hợp phôi tấm có chiều dày S = 20 mm 46 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 Bảng 4.4 Các thông số khảo sát bán kính của tấm phụ thuộc lực ép, mức độ biến dạng 59 Bảng 4.5 Giá trị lực ép P, mức độ biến dạng 2 và bán kính sản phẩm Rd tương ứng trong trường hợp vận tốc V= 10 v/ph 60 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 Bảng 4.8 Giá trị vận tốc lăn và bán kính sản phẩm Rd ứng với chiều dày S = 20 mm 66 Bảng 4.9 Giá trị vận tốc lăn và bán kính sản phẩm Rn ứng với chiều dày S = 20 mm 67 Bảng 5.1 Các thông số khảo sát bán kính của tấm phụ thuộc lực ép, mức độ biến dạng 70 Bảng 5.2 Các giá trị đo áp suất chất lỏng công tác, lực ép, mức độ biến dạng, bán kính cong của sản phẩm tấm 73 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 pháp gia nhiệt cục bộ bằng ngọn lửa Oxi Axetylen 8 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 pháp miết 10 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 phương pháp lăn ép 12 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 ma sát con lăn trên và con lăn dưới (µ2/µ1) thay đổi 17 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 nhau 17 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 = 10mm 32 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 lượt lăn 42 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 phỏng số 59 Hình 4.2 Đồ thị quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương dọc Rd và lực ép P, mức độ biến dạng với vận tốc lăn V = 10 v/ph, chiều dày phôi từ 10 – 30 mm 61 Hình 4.3 Đồ thị quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương dọc Rd và lực ép P, mức độ biến dạng với chiều dày phôi S = 20 mm, vận tốc lăn V = 5; 10; 20; 30 v/ph 61 Hình 4.4 So sánh vết tiếp xúc, ứng suất và biến dạng khi lực ép, mức độ biến 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 62 Hình 4.5 So sánh ứng suất và biến dạng khi lực ép, mức độ biến dạng trong 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 63 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 và lực ép P 64 Hình 4.8 Đồ thị quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương ngang Rn và mức độ biến dạng 2 65 Hình 4.9 Đồ thị quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương dọc Rd và vận tốc lăn ứng với chiều dày tấm S = 20 (mm) 66 Hình 4.10 Đồ thị quan hệ giữa bán kính cong sản phẩm theo phương dọc Rn và vận tốc lăn khi chiều dày tấm S= 20mm 67 Hình 5.1 Phôi tấm 69 Hình 5.2 Phôi được được kẹp giữa hai trục lăn và thực hiện xong quá trình lăn ép 71 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