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

-

Mức độ biến dạng theo phương trục chính

-

1,2,3



Ứng suất tiếp xúc

μ

Hệ số ma sát

b

Chiều rộng của phôi

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

Số mũ hóa bền vật liệu

P

Lực ép

MPa

mm

N

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
Bảng 3.2

Thành phần hóa học của thép SS400
Tổng hợp kết quả mô phỏng trường hợp phôi tấm có chiều dày
S = 20 mm

39
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
Bảng 4.5

Các thông số khảo sát bán kính của tấm phụ thuộc lực ép, mức độ
biến dạng
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

59
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
Bảng 4.9
Bảng 5.1
Bảng 5.2

Giá trị vận tốc lăn và bán kính sản phẩm Rd ứng với chiều dày
S = 20 mm
Giá trị vận tốc lăn và bán kính sản phẩm Rn ứng với chiều dày
S = 20 mm
Các thông số khảo sát bán kính của tấm phụ thuộc lực ép, mức độ
biến dạng
Các giá trị đo áp suất chất lỏng công tác, lực ép, mức độ biến dạng,
bán kính cong của sản phẩm tấm

66
67
70
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

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

Hình 1.10 Một số hình ảnh về thiết bị lăn ép & sản phẩm được tạo hình bằng

11
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
ép khi thực nghiệm và mô phỏng số ứng với S = 20 mm

76


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.


10

Hình 1.7. Một số hình ảnh uốn phôi thép tấm trên máy uốn lốc 3 trục [1, 16, 22]

1.2.4 Miết trên máy chuyên dụng
Miết là một phương pháp gia công kim loại bằng áp lực nhằm tạo hình chi tiết rỗng
từ phôi phẳng hoặc phôi rỗng dựa vào chuyển động quay của phôi dưới tác dụng của lực
công tác làm biến dạng dẻo cục bộ tại một vị trí trên phôi quay [9, 16, 22, 57, 71].

Hình 1.8 Một số hình ảnh về máy miết & sản phẩm được tạo hình bằng phương pháp miết [1, 85, 87]

11
Ưu điểm: Sản phẩm có chất lượng, độ chính xác cao, quá trình tạo hình linh hoạt và
cho năng suất cao, có thể tạo hình được với nhiều loại vật liệu như thép, thép không gỉ, các
kim loại nhẹ như nhôm, titan và các kim loại khác như đồng, niken, volfram.
Nhược điểm: Thường được sử dụng để tạo hình các chi tiết dạng rỗng có đối xứng
trục, ví dụ như các chi tiết hình chỏm cầu. Kích thước bị hạn chế bởi không gian làm việc
của máy.
1.2.5 Cán không đối xứng
Cán không đối xứng (hình 1.9) là quá trình cán trong đó các thông số hình học như
đường kính trục cán, biên dạng thông số quá trình như: hệ số ma sát giữa phôi và 2 trục,
nhiệt độ của 2 trục cán, vận tốc, mô men của 2 trục cán không giống nhau. Sản phẩm khi
cán qua trục cán có biên dạng cong [38, 39, 40, 83].

Hình 1.9 Sơ đồ cán không đối xứng [38]

Với đường kính trục cán, ma sát, hoặc tốc độ cán không giống nhau phôi tấm bị
biến dạng không đồng đều tại mặt trên và dưới, do đó sản phẩm tấm bị uốn cong về phía
trục có đường kính nhỏ hơn, hoặc cong về phía bề mặt ít bị cản trở hơn [74, 83].
Ưu điểm: Sản phẩm có biên dạng cong phức tạp, chất lượng bề mặt sản phẩm cao.
Nhược điểm: Quá trình cán không đối xứng để tạo biên dạng cong thường là cán
nóng, do vậy việc điều khiển các thông số công nghệ trong quá trình cán không đối xứng
khá phức tạp. Để tạo được hình dáng cong theo yêu cầu cần xác định được các thông số
công nghệ một cách chính xác.
1.2.6 Công nghệ lăn ép
Lăn ép là công nghệ tạo hình chi tiết từ phẳng thành cong hoặc cong từ bán kính
lớn thành cong với bán kính nhỏ hơn. Phôi tấm được hai trục lăn quay, kéo qua khe hở


12
giữa hai trục lăn, dưới tác dụng của lực ép từ hai con lăn ép lên phôi. Sau khi ra khỏi khe

hở giữa hai trục lăn, phôi bị biến dạng cong lên (hình 1.10). Như vậy, lăn ép có thể coi
tương tự như trường hợp cán không đối xứng. Nhưng khác ở điểm, trong quá trình cán,
phôi đi thẳng sau khi ra khỏi khe hở cán, chiều dày giảm đi, chiều dài tăng lên, còn trong
lăn ép, phôi bị biến dạng cong nhưng cố gắng giảm thiểu sự mỏng của phôi tấm [37, 92]

Hình 1.10 Một số hình ảnh về thiết bị lăn ép & sản phẩm được tạo hình bằng phương pháp lăn ép

Ưu điểm: Phương pháp này cho năng suất cao, sản phẩm có chất lượng và độ chính
xác cao, sản phẩm có thể tạo được nhiều biên dạng phức tạp. Các sản phẩm được ứng dụng
rộng rãi trong ngành công nghiệp đóng tàu.
Nhược điểm: Sản phẩm có hiện tượng biến mỏng, cần phải hạn chế biến mỏng phôi
trong quá trình sản xuất.

1.3 Những kết quả nghiên cứu về công nghệ lăn ép
1.3.1 Trên thế giới
Theo [85, 86, 87, 88, 89, 92], khi công nghệ đóng vỏ tàu thuỷ trên thế giới phát triển
mạnh mẽ, đòi hỏi nâng cao năng suất và chất lượng vỏ tàu thì các phương pháp dập, tạo
hình cục bộ, uốn tự do… chỉ có thể đáp ứng được việc tạo hình các chi tiết vỏ tàu có trọng
tải nhỏ, chiều dày từ 5 đến 10 mm. Đối với các con tàu có tài trọng lớn trên 10.000 Tấn,
các chi tiết vỏ tàu thường có chiều dày từ 10 đến 30 mm, thì các phương pháp tạo hình
truyền thống không cho hiệu quả sản xuất cũng như độ chính xác biên dạng vỏ không đúng
như thiết kế. Việc hiệu chỉnh biên dạng thủ công gặp nhiều khó khăn bởi chi tiết thường
lớn, nặng, biên dạng phức tạp. Vì vậy, ở một số nơi đã tiến hành nghiên cứu thử nghiệm và
áp dụng phương pháp uốn lốc để tạo hình nhưng chi tiết có biên dạng cong theo một
phương (cong 2D), một phần nhỏ thử nghiệm phương pháp cán không đối xứng để tạo
hình những chi tiết có biên dạng cong theo nhiều phương (cong 3D). Phương pháp cán
không đối xứng được áp dụng với mong muốn tạo hình được biên dạng cong của chi tiết,


13

nhưng chiều dày của chi tiết ít thay đổi để đảm bảo độ bền và dễ dàng hàn ghép với các chi
tiết khác. Trên cơ sở đó, phương pháp mới ra đời và gọi tên là Lăn ép [89]. Các công trình
nghiên cứu về lăn ép dựa trên lý thuyết về cán không đối xứng để xác định các thông số
công nghệ, bởi chúng có nhiều điểm tương đồng về mặt cơ sở lý thuyết [92].
Các hướng nghiên cứu trong công nghệ lăn ép (hay cán không đối xứng) chủ yếu tập
trung vào những thông số vật liệu, hình học của trục lăn và các thông số công nghệ như:
-

Vật liệu phôi;

-

Nhiệt độ biến dạng;

-

Lực ép;

-

Mức độ biến dạng;

-

Vận tốc lăn;

-

Kích thước phôi;

-

Hình dạng và kích thước của trục;

-

Ma sát trong quá trình biến dạng giữa trục và phôi;

Công nghệ lăn ép thích hợp với nhiều loại vật liệu, tuy nhiên vật liệu được quan tâm
nhiều vẫn là thép. Các vật liệu như hợp kim nhôm, hợp kim magiê, hợp kim đồng cũng
được nhắc đến, nhưng chủ yếu là các tấm mỏng có chiều dày từ 6 mm [28, 43, 66] trở
xuống và nếu sử dụng trong vỏ tàu thì chủ yếu là tàu cao tốc và tạo hình bằng phương pháp
dập, tạo hình cục bộ liên tục trên các thiết bị điều khiển số.
Quá trình tạo hình lăn ép tương tự như cán không đối xứng, tức là bán kính trục,
tốc độ, hệ số ma sát trên mặt tiếp xúc giữa phôi và hai trục là khác nhau. Kim loại khi đi
qua vùng biến dạng (khe hở giữa hai trục) có chiều dày ban đầu S1, khi ra khỏi khe hở giữa
hai trục có chiều dày S2 và tấm kim loại sẽ cong lên (hình 1.11).

Hình 1.11 Sơ đồ thể hiện quá trình lăn không đối xứng [76]


14
Nghiên cứu vùng biến dạng, khảo sát tiếp xúc giữa phôi với trục trên, phôi với trục
dưới trong những điều kiện thông số hình học, động học, động lực học của hai trục khác
nhau, sẽ đánh giá được vật liệu bị biến dạng và cong như thế nào. Vùng biến dạng được
chia thành 3 vùng.
Vùng I được gọi là vùng trễ bởi tốc độ dài của con lăn lớn hơn phôi tấm. Hướng của lực
ma sát giữa con lăn và phôi tấm cùng chiều với hướng chuyển động của tấm. Vùng II: Tốc độ
của tấm chậm hơn con lăn dưới và nhanh hơn con lăn trên. Lực ma sát sinh ra ở bề mặt trên
của tấm ngược chiều với hướng chuyển động của tấm, lực ma sát sinh ra ở bề mặt dưới của

tấm lại cùng chiều với hướng chuyển động của tấm. Vùng III: Tốc độ dài của con lăn trên và
con lăn dưới nhanh hơn tốc độ dài của phôi tấm, nên vùng này được gọi là vùng vượt trước.
Lực ma sát giữa con lăn trên và dưới phôi tấm có hướng cùng hướng chuyển động của phôi.
Vận tốc dài ở bề mặt phôi tấm tiếp xúc với con lăn dưới lớn hơn bề mặt ngoài của phôi tấm
tiếp xúc với con lăn trên. Các kết quả nghiên cứu trong [30, 38, 41, 49, 58, 60, 76, 90, 91] chỉ
ra rằng, nếu mức độ biến dạng lớn ví dụ khi cán tấm nóng, 3 vùng này sẽ có sự phân biệt rõ
ràng, nhưng nếu mức độ biến dạng nhỏ thì có thể coi như đây là một vùng biến dạng [24, 52,
73], lực ma sát giữa phôi và con lăn dưới cùng chiều với chiều chuyển động của phôi tấm,
trong khi đó lực ma sát giữa phôi và con lăn trên lại ngược chiều với chiều chuyển động của
phôi. Trên cơ sở phân tích chiều của lực ma sát, có thể nhận thấy phôi tấm sẽ bị cong lên trên
bởi lực ma sát sẽ sinh ra một mô men uốn phôi quanh tâm của trục con lăn trên.
Các kết quả nghiên cứu trong các công trình [24, 29, 30, 34, 38, 41, 42, 49, 55, 58,
60, 76], hầu hết đều chỉ ra lực khi lăn ép là yếu tố quan trọng tạo ra biến dạng của tấm, làm
tấm giảm chiều dày khi qua khe hở giữa hai con lăn. Phôi tấm bị cong sau khi lăn ép có thể
do nhiều yếu tố như bán kính hai trục, vận tốc góc, ma sát trên trục với phôi kim loại khác
nhau, nhưng lực khi lăn ép vẫn là yếu tố cần xác định bởi nó quyết định đến việc tạo ra tấm
có biên dạng cong. Lực lăn ép phụ thuộc vào phôi biến dạng, lượng ép, tỷ số vận tốc góc,
tỷ số bán kính của các trục [43, 47, 49, 50, 69, 70, 76]. Đối với từng loại vật liệu, có thể
xác định được mối quan hệ giữa lực và mức độ biến dạng dựa trên mô hình bài toán và
đường cong chảy của vật liệu [60, 61, 62, 74, 76, 84]. Trường hợp 2 con lăn giống nhau về
đường kính, lực lăn ép giảm đi khi vận tốc của trục dưới lớn hơn trục trên (hình 1.12).
Phân bố áp lực trên chiều dài cung tiếp xúc cũng phụ thuộc vào tỷ số giữa tốc độ của hai
trục lăn. Khi tốc độ 2 trục lăn bằng nhau, phân bố áp lực trên cung tiếp xúc được thành 2
vùng, Khi tỉ số tốc độ hai trục lăn tăng lên, áp lực phân bố sẽ tách ra làm 3 vùng (hình
1.13). Như vậy, yếu tố vận tốc cũng rất cần được xem xét vì chúng có ảnh hưởng đến lực
lăn ép và là một trong những yếu tố tạo biến dạng cong cho tấm.