Mục đích của nghiên cứu này là xem xét ảnh hưởng của các thông số công nghệ như chiều dày phôi, chuyển vị của các trục uốn đến quá trình hình thành sản phẩm ống bằng mô phỏng số trên phần mềm Abaqus…
Simulation and experimental study of the continuous four-roll thick- walled plate bending process for large cylinder
ĐỖ THÀNH DŨNG *, VŨ NGỌC LÂN, LÊ THÁI HÙNG
Viện Khoa học kỹ thuật vật liệu, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hà Nội
Ngày nhận bài: 16/7/2017, Ngày duyệt đăng: 19/9/2017
TÓM TẮT
Công nghệ uốn tấm dày trên máy uốn 4 trục được sử dụng khá phổ biến để chế tạo các ống tròn với đường kính lớn. Tuy nhiên, hiện nay các sản phẩm này được chế tạo chủ yếu dựa vào kinh nghiệm. Mục đích của nghiên cứu này là xem xét ảnh hưởng của các thông số công nghệ như chiều dày phôi, chuyển vị của các trục uốn đến quá trình hình thành sản phẩm ống bằng mô phỏng số trên phần mềm Abaqus. Trên cơ sở thiết bị hiện có tại Việt Nam các kết quả mô phỏng đã được kiểm nghiệm và phân tích nguyên nhân ảnh hưởng đến độ chính xác của sản phẩm ống. Kết quả cho thấy độ tương hợp cao giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm.
Từ khóa: Ống đường kính lớn, tấm dầy, uốn 4 trục
ABSTRACT
Four-roll bending process is widely used for manufacturing of thick-walled and large cylinders. However, nowa- days these products are mainly manufactured by experience. The purpose of this study is to examine the influence of technological parameters such as thickness of plate and displacement of bending rolls on the cylinder forming process by numerical simulation on Abaqus software. Based on the current equipment in Vietnam, simulated results have been tested and the causes effecting on accuracy of cylinder product were analysed. The experimental results are in good agreement with numerical simulations.
Keywords: large cylinder, thick-walled cylinder, four-roll bending
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Sản phẩm ống thép với các đường kính và chiều dày khác nhau được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đời sống hiện nay như trên các thiết bị của ô tô, tàu thủy, nhà cửa… Trong công nghiệp, ống được sử dụng để xây dựng các đường ống dẫn dầu, dẫn khí xuyên lục địa…, ống phục vụ cho ngành cấp thoát nước, thủy lợi, xây dựng… [1-3]. Ống thép có thể được sản xuất bằng nhiều phương pháp như: phương pháp thủ công, phương pháp cán, phương pháp kéo, phương pháp uốn… Tuy nhiên, phương pháp uốn là phù hợp để tạo hình tấm dầy nhằm chế tạo các chi tiết đơn chiếc có đường kính lớn và chiều dày hạn chế, uốn tấm thường được tiến hành trên các máy uốn 3 trục, uốn 4 trục. Ở nước ta hiện nay, các cơ sở sử dụng máy uốn chủ yếu dùng kinh nghiệm để tạo hình các sản phẩm theo yêu cầu nên độ chính xác chưa cao, gây lãng phí nguyên công, thời gian và năng lượng cũng như khó sản xuất ở quy mô công nghiệp.
Các nghiên cứu trước đây cho thấy máy uốn 4 trục có nhiều ưu điểm và được sử dụng rộng rãi trong quá trình uốn tấm dầy. Đường kính sản phẩm uốn trên máy uốn phụ thuộc vào vị trí dịch chuyển của các trục bên trong suốt quá trình uốn [1]. Tuy nhiên, trong quá trình uốn tấm luôn có hiện tượng đàn hồi dẫn đến việc khó xác định chính xác đường kính uốn mong muốn [2]. Để xác định đường kính sản phẩm uốn mong muốn đã có nhiều nghiên cứu được đưa ra. Nhóm nghiên cứu của Hou et. al. [3] đề xuất cách tính đường kính sản phẩm theo lực uốn và mô men uốn, tuy nhiên cách tính này không có liên hệ rõ ràng với chuyển vị của hai trục bên. Nhóm nghiên cứu Zheng et. al. [4] và Jamel et. al. [5] đưa ra cách tính đơn giản và liên quan trực tiếp đến chuyển vị của trục bên khi uốn tấm mỏng với độ sai lệch nhỏ, nhưng trong công thức chỉ xét đến tham số hình học thuần túy. Một số nghiên cứu trong nước chỉ mới đề cập đến mô phỏng quá trình uốn ống trên máy uốn 3 trục [6-7].
Đến nay chưa có một công trình trong nước nào nghiên cứu về quá trình uốn lốc tấm dầy trên máy uốn 4 trục. Do đó việc tính toán vị trí chuyển động của các trục để có được đường kính sản phẩm mong muốn vẫn còn là một thách thức. Đặc biệt trong hoàn cảnh hầu hết các máy uốn 4 trục trong nước đều không có chương trình tính toán điều khiển dẫn đến nhà sản xuất phải sử dụng kinh nghiệm gây nhiều bất tiện và lãng phí. Vì những lý do trên, mô phỏng số quá trình uốn tấm dầy trên máy uốn 4 trục cần được nghiên cứu để giúp nâng cao hiệu quả và tăng độ chính xác khi uốn, dự đoán được các hiện tượng không mong muốn xảy ra khi uốn. Kết quả mô phỏng được kiểm nghiệm bằng thực nghiệm.
2. MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH UỐN TẤM TRÊN MÁY UỐN 4 TRỤC
2.1 Mô hình hình học
Mô hình hình học (hình 1) của quá trình uốn 4 trục gồm: trục trên có đường kính dtr = 430 mm, trục dưới có đường kính dd = 390 mm và 2 trục bên có đường kính db = 330 mm. Phôi được lựa chọn có chiều dày thay đổi lần lượt t = 10, 20, 30 mm và chiều rộng b = 1000 mm với chiều dài tương ứng đường kính ống dsp = 1000 mm. Mô hình phần tử hỗn hợp với kiểu phần tử C3D8R cho phôi được trình bày trên hình 1.
2.2. Mô hình vật liệu
Vật liệu được sử dụng là thép A36 theo tiêu chuẩn ASTM. Mô hình vật liệu được tuân thủ theo định luật Ludwik-Hollomon [8]:
σ = σ0 + Kεn
Trong đó: σ0 là giới hạn chảy ban đầu, K và n tương ứng là mô đun dẻo và hệ số hóa bền biến dạng. Phần mềm Abaqus cho phép nhập đường cong thuộc tính vật liệu này để thực hiện quá trình mô phỏng uốn ống (hình 2).
– Ma sát tiếp xúc giữa phôi và các trục uốn là 0,3
– Vận tốc góc của trục trên và dưới là: 0,2 rad/s.
– Chuyển vị của hai trục bên được thiết lập như trong bảng 1.
Bảng 1. Độ nâng hai trục bên trong quá trình uốn tròn với đường kính 1000 mm
| Độ nâng trục (mm) | Chiều dầy phôi (m m) | ||
| 10 | 20 | 30 | |
| Trục trái | 120 | 90 | 80 |
| Trục phải | 200 | 130 | 110 |
– Các trục uốn được giả thiết là cứng tuyệt đối.
– Các bước uốn được thực hiện như hình 3. Sau khi so phôi (hình 3.a), mép tấm uốn được trở về vị trí giữa hai trục uốn trên và dưới (hình 3.b).
Trục bên phía sau đỡ tấm uốn lúc này di chuyển đi lên tạo độ cong ban đầu (hình 3.c), tiếp theo trục trên và trục dưới quay đưa phôi uốn chuyền động tịnh tiến về phía trước (hình 3.d). Khi đầu mép phôi uốn chuyển động tịnh tiến được một đoạn ngắn thì trục bên phía trước sẽ chuyển động đi lên đón mép ống (hình 3.e) và phôi uốn lúc này tiếp tục được chuyển động tịnh tiến đi hết quãng đường còn lại. Quá trình uốn kết thúc (hình 3.f ) khi trục bên phía trước cũng trở về vị trí ban đầu như hình 3.b.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Phân tích kết quả mô phỏng
Quá trình mô phỏng cho thấy được ảnh hưởng của chiều dầy phôi tấm đến độ nâng trục bên để có được đường kính uốn mong muốn (bảng 1). Khi tăng chiều dày phôi lần lượt từ 10, 20, 30 mm thì độ nâng hai trục bên giảm dần từ 120, 90, 80 mm với trục trái và 200, 130, 110 mm với trục bên phải. Điều này cho thấy biến dạng đàn hồi trở lại của phôi giảm dần và biến dạng dẻo tăng dần khi tăng chiều dầy phôi uốn cùng một đường kính.
Kết quả mô phỏng quá trình uốn ống đường kính dsp = 1000 mm cho ba chiều dày (t) lần lượt là t = 10, 20, 30 mm được trình bày như trong hình 4. Tại thời điểm phôi bắt đầu chuyển động sau khi nâng trục bên, ứng suất bắt đầu tăng tại các vị trí giữa hai trục uốn trên và trục uốn dưới. Đồng thời ứng suất cũng tăng ở khu vực giữa phần phôi tấm chưa được uốn do tác dụng của trọng lực làm phôi bị cong ở phần giữa (hình 4.a). Và sự tăng ứng suất do trọng lượng của phần phôi tấm chưa uốn giảm dần khi phôi uốn được nửa chu trình. Tuy nhiên phần phôi đã được uốn lại xuất hiện ứng suất sinh ra do ứng suất dư cùng với trọng lực tác dụng làm cong phôi (hình 4.b). Khi quá trình uốn kết thúc, ứng suất vẫn tồn tại hầu hết trên mặt ống (hình 4.c) là do tác dụng của trọng lực lên phôi ống và ứng suất dư.
Bán kính cong của sản phẩm uốn có độ chính xác cao trên toàn bộ chiều dài tấm (xem hình 4.d, 4.e, 4.f), tuy nhiên ở hai bên mép ống độ cong không đồng đều và có bán kính cong lớn hơn ở giữa ống. Vùng mép uốn có độ cong nhỏ hơn được gọi là mép phẳng (flat-end areas) và hiện tượng này luôn xuất hiện trong quá trình uốn 4 trục. Nguyên nhân gây ra hiện tượng mép phẳng do ở cuối chu trình uốn, phần mép ống đã không còn được đỡ bởi trục bên trong khi phần ống còn lại đã uốn bị cong dẫn đến giảm lực uốn nên độ cong cũng giảm theo. Ứng suất của tấm tấm theo thời gian trong suốt quá trình uốn được mô tả trong hình 5. Ứng suất cục bộ xuất tại phần tử tương ứng với 3 vùng tại 2 bên mép tấm và giữa tấm. Kết quả cho thấy ứng suất tại đầu mép phải của ống sau uốn bị biến dạng ngay từ đầu quá trình uốn từ khi nâng trục với ứng suất lớn nhất đạt 400 MPa cho cả 3 trường hợp.
Sau khi biến dạng, đầu mép phải của phôi không bị tác dụng của trọng lực nhưng ứng suất vẫn ở mức khoảng 230, 140 và 100 MPa tương ứng với các chiều dày 10, 20 và 30 mm. Đây chính là ứng suất dư sau khi phôi bị biến dạng sau uốn. Ứng suất ở vùng giữa tấm cho cả 3 trường hợp tăng ngay từ đầu do tác dụng của trọng lực với giá trị khoảng 200 MPa ngay từ đầu quá trình và sau đó có xu hướng giảm dần trước khi bị uốn với giá trị ứng suất đạt 400 MPa. Ứng suất sau uốn ở điểm giữa phôi có giá trị cao hơn ở mép phải là do tác dụng của trọng lực tác dụng lên phôi. Ứng suất tại mép trái của ống do bị uốn sau cùng nên ban đầu ứng suất không tăng, khi uốn ứng suất đạt giá trị lớn nhất với giá trị gần 400 MPa, nhỏ hơn một ít so với 2 vùng còn lại. Điều này lý giải vì nguyên nhân vì sao mép trái ống thường có bán kính cong lớn hơn.
3.2 Đánh giá bằng thực nghiệm
Thí nghiệm được tiến hành trên máy uốn ASH 30/28 của hãng Akyapak – Thổ Nhĩ Kỳ tại Công ty TNHH thép Hà Nội. Máy có thể uốn được phôi tấm với chiều dầy lên đến 35 mm. Máy có kích thước các trục uốn giống như mô hình hình học trong quá trình mô phỏng. Trên cơ sở mô phỏng, phôi uốn được lựa chọn là thép A36 có kích thước chiều dày t = 10 mm và chiều dài tương ứng đường kính d0 = 1000 mm, chiều rộng b = 120 mm. Vận tốc uốn của máy đạt 0,05 m/s.
Các bước thí nghiệm được tiến hành theo trình tự với độ nâng trục bên giống như trong quá trình mô phỏng trong bảng 1. Kết quả thí nghiệm (hình 6) cho thấy phôi uốn đạt độ cong và kích thước gần sát với kết quả mô phỏng. Chênh lệch về đường kính trên toàn bộ bán kính cong của phôi là không đáng kể. Hiện tượng mép phẳng vẫn tồn tại tại vùng mép phía cuối quá trình uốn do lực uốn giảm về cuối quá trình uốn.
4. KẾT LUẬN
Các kết quả mô phỏng cho thấy khi tăng chiều dày tấm thì lượng biến dạng đàn hồi trở lại giảm dẫn đến độ nâng trục bên cũng giảm khi uốn cùng một đường kính.
Các kết quả mô phỏng đã dự đoán đúng hiện tượng mép phẳng xảy ra tại mép ống sau khi uốn.
Các kết quả mô phỏng cho thấy ứng suất uốn tại các vùng ống có sự chênh lệch nhất định, điều này gây ra hiện tượng chênh lệch bán kính cong trên từng phần phôi.
Thực nghiệm cho thấy các kết quả mô phỏng có độ tương hợp cao và là hướng đi đúng có thể áp dụng cho mọi trường hợp uốn trên máy 4 trục. Mô phỏng kết hợp thực nghiệm có khả năng điều khiển các thông số uốn phù hợp trước khi tiến hành sản xuất với mọi sản phẩm mong muốn, từ đó giải quyết vấn đề tối ưu quy trình công nghệ uốn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.Hua M., Sansome D. H., Rao K. P., Baines K., Continuous four-roll plate bending process: Its bending mech- anism and influential parameters, Journal of Materials Processing Technology Volume 45, Issues 1–4,September 1994, 181-186.
2.M. Hua., K. Baines and I. M. Cole, A Mathematics Analysis for the Experimental Study of Plate Springback at the Top Roll Contact in Four-roll Plate Bending, Advances in Manufacturing Technology II, 1987, p 404-412.
3.M. Hua, I. M. Cole, K. Baines, K. P. Rao, A formulation for determining the single-pass mechanics of the con- tinuous four-roll thin plate bending process, Journal of Materials Processing Technology 67, 1997, p189-194.
4.Zhengkun Feng, Henri Champliaud, Modeling and simulation of asymmetrical three-roll bending process, Simulation Modelling Practice and Theory, 19, 2011, p1913–1917.
5.Salem Jamel, Champliaud Henri, Feng Zhengkun, Dao Thien-My, Experimental analysis of an asymmetrical three-roll bending process, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Apr 2016, Vol. 83, Issue 9-12, p1823-1833.
6.Đoàn Minh Thuận, Mô phỏng số quá trình uốn ống trên máy uốn 3 trục bằng phương pháp phần tử hữu hạn, Tạp chí Khoa Học Công Trường Đại Học Trà Vinh số 3, 12/2011, p14-23.
7.Đoàn Minh Thuận, Mô phỏng số quá trình uốn cho ống có đường kính lớn bằng phương pháp phần tử hữu hạn, Tạp chí Khoa Học Công Trường Đại Học Trà Vinh số 8, 3/2013, p11-18.
8.Quan Hoang Tran, Henri Champliaud, Zhengkun Feng and Thien My Dao, FE Study for Reducing Forming Forces and Flat End Areas of Cylindrical Shapes Obtained by the Roll-Bending Process, Journal of Mechanics Engineering and Automation 4, 2014, p467-475.
9.Atlas of Stress-Strain Curves, ASM International,2002; ISBN 978-0-87170-739-02002.
Tập thể tác giả xin chân thành cảm ơn trường ĐHBKHN đã hỗ trợ thực hiện nghiên cứu này thông qua đề tài T2017-PC-146.
