nghiên cứu và chế tạo máy tạo hình nhiệt thép tấm bằng cảm ứng trong công nghiệp đóng tàu thủy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY TẠO HÌNH
NHIỆT THÉP TẤM BẰNG CẢM ỨNG TRONG
CÔNG NGHIỆP ĐÓNG TÀU THỦY
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: B2010-22-54

S KC 0 0 3 2 1 4

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐH SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY TẠO HÌNH
NHIỆT THÉP TẤM BẰNG CẢM ỨNG TRONG
CÔNG NGHIỆP ĐÓNG TÀU THỦY

Mã số: B2010-22-54

Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Trƣờng Thịnh

TP.HCM, 7/2011

i


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐH SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY TẠO HÌNH
NHIỆT THÉP TẤM BẰNG CẢM ỨNG TRONG
CÔNG NGHIỆP ĐÓNG TÀU THỦY

Mã số: B2010-22-54

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài
(ký, họ tên, đóng dấu)

TP.HCM, 7/2011

ii

Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ tên)


DANH SÁCH NHỮNG NGƢỜI THAM GIA ĐỀ TÀI
VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Tên đề tài:

Nghiên cứu và chế tạo máy tạo hình nhiệt thép tấm bằng cảm ứng trong
công nghiệp đóng tàu thủy.
Mã số: B2010-22-54
Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Trƣờng Thịnh
Cơ quan chủ trì: Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.HCM
Cơ quan và các cá nhân phối hợp thực hiện:
Cơ quan phối hợp chính
Tên đơn vị phối hợp

Nội dung phối hợp nghiên cứu

Đại học Quốc Gia Chonnam- Hàn Kết hợp nghiên cứu và thiết kế bộ tạo nhiệt
Quốc
bằng cảm ứng điện trường
Các cá nhân phối hợp thực hiện
Họ và tên

Đơn vị công tác và Nội dung nghiên cứu cụ thể được
lĩnh vực chuyên giao
môn

Nguyễn Ngọc Phương

ĐHSPKT Tp.HCM

Thiết kế bộ phận điều khiển máy

Nguyễn Minh Khai

ĐH Chonnam

Thiết kế bộ phận cảm ứng

Tưởng Phước Thọ

ĐHSPKT Tp.HCM

Thiết kế bộ phận truyền động bộ

phận cơ khí

Nguyễn Xuân Quang

ĐHSPKT Tp.HCM

Thiết kế phần mềm

Đường Minh Hiếu

ĐHSPKT Tp.HCM

Thư ký đề tài

– P QLKH

Thời gian thực hiện: 03/2010 đến 10/2011

iii


MỤC LỤC

Trang bìa ....................................................................................................................... i
Trang bìa phụ ............................................................................................................... ii
Danh sách các thành viên tham gia và đơn vị phối hợp thực hiện ............................. iii
Mục lục ....................................................................................................................... iv
Danh mục hình vẽ ....................................................................................................... ix
Danh mục bảng biểu ................................................................................................. xiv
Thông tin kết quả nghiên cứu .....................................................................................xv

Tóm tắt đề tài ........................................................................................................... xvii

Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU ............................................................................1
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC ...........................1
1.2.1 Nước ngoài ....................................................................................................1
1.2.1.1.

Uốn tấm thép trên máy cán thép nhiều trục……………………...2

1.2.1.2.

Uốn tấm thép trên máy ép………………………………………..3

1.2.1.3.

Uốn tấm bằng phương pháp thủ công……………………………4

1.2.1.4.

Uốn tấm bằng phương pháp gia nhiệt cảm ứng………………….5

Trong nước……………………………………………………………....6

1.2.2.

1.3. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI……………………………………………………………..7
1.4. PHƢƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU……………………………7

PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

CHƢƠNG 1
ĐẦU NUNG CẢM ỨNG TỪ ...............................................................................8
2.1.1 Giới thiệu hiện tượng cảm ứng điện từ ........................................................8
2.1.1.1 Nguồn gốc ........................................................................................8
2.1.1.2 Cảm ứng nhiệt điện từ ......................................................................9
2.1.1.3 Ứng dụng của nung nóng nhiệt cảm ứng trong công nghiệp ...........9
iv


2.1.2 Lý thuyết về cảm ứng nhiệt điện từ ...........................................................10
2.1.2.1 Nguyên lý của cảm ứng nhiệt điện từ ............................................10
2.1.2.2 Sự phân bố của dòng điện trong vật được gia công .......................14
2.1.2.3 Hiện tượng trao đổi nhiệt trong nung cảm ứng ..............................18
2.1.3 Mô hình toán học của quá trình nung cảm ứng nhiệt ................................21
2.1.3.1 Mô hình toán học trường điện từ và trường nhiệt độ .....................21
2.1.3.2 Mô hình cơ bản của quá trình nung cảm ứng từ ............................24
2.1.4 Thiết kế nung cảm ứng từ ..........................................................................27
2.1.4.1 Một số yêu cầu về thiết bị dùng trong đầu nung cảm ứng .............27
2.1.4.2 Sơ đồ khối hoạt động của hệ thống nung cảm ứng từ ....................28
2.1.4.3 Các mạch nguyên lý của đầu nung cảm ứng từ .............................29
CHƢƠNG 2

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHẦN CƠ KHÍ GIA CÔNG
2.2.1 Các phương án di chuyển trục toạ độ. .......................................................34
2.2.1.1 Phương án phôi cố định .................................................................34
2.2.1.2 Phương án phôi di chuyển trên một trục ........................................34
2.2.1.3 Phương án phôi di chuyển trên hai trục .........................................35
2. 2.1.4 Lựa chọn phương án di chuyển tối ưu ..........................................36
2.2.2. Lựa chọn cơ cấu truyền động ...................................................................36
2.2.2.1 Vít me - đai ốc ................................................................................36

2.2.2.2 Bộ truyền bánh răng ......................................................................38
2.2.3 Bộ dẫn hướng ............................................................................................39
2.2.3.1 Dẫn hướng bằng rãnh mang cá ......................................................39
2.2.3.2 Dẫn hướng bằng thanh trượt ..........................................................39
2.2.4 Mô phỏng kết cấu hệ thống bằng phần mềm ABAQUS 6.5.1 ..................41
2.2.4.1 Các số liệu dùng để tính toán .........................................................41
2.2.4.2 Kết quả mô phỏng ứng suất và chuyển vị của máy .......................43
2.2.5 Tính toán thông số các bộ truyền ...............................................................56
2.5.1 Chọn động cơ cho trục Z ...................................................................56
v


2.5.2 Chọn động cơ cho trục X ..................................................................57
2.5.3 Chọn động cơ cho trục Y ..................................................................58
2.6 Chọn động cơ cho hệ thống ..........................................................................59

CHƢƠNG 3
ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY
2.3.1 Động học của máy ....................................................................................60
2.3.2 Động học nghịch của máy .........................................................................61
2.3.3 Ma trận Jacobi và động học vận tốc ..........................................................62
CHƢƠNG 4
HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY GIA CÔNG
2.4.1 Các thiết bị điện của hệ thống....................................................................64
2.4.1.1 Bộ điều khiển trung tâm .................................................................64
2.4.1.2 Driver và động cơ (Motor) .............................................................64
2.4.1.3 Bơm (Pump) ...................................................................................64
2.4.1.4 Đầu từ (Inductor) ...........................................................................64
2.4.2 Mạch điện hệ thống....................................................................................65
2.4.3 Sơ đồ đi dây mạch động lực ......................................................................67

2.4.4 Cấu trúc bộ điều khiển ...............................................................................68
2.4.4.1 Nguyên tắ c chung...........................................................................68
2.4.4.2 Sơ đồ tổng quát về nguyên lý của bộ điều khiển cấp trên .............69
2.4.2 Nội suy .......................................................................................................71
2.4.2.1 Giới thiệu .......................................................................................71
2.4.2.2 Phương pháp xác định quỹ đạo .....................................................72
2.4.2.3 Giải thuật nội suy cho quá trình gia công ......................................74
2.4.3 Thiết kế bộ điều khiển ...............................................................................78
2.4.3.1 Tổng quan về mạch điều khiển ................................................................ 78

2.4.3.2 Giới thiệu vi điều khiển..................................................................79
2.4.3.3 Các chức năng của hai vi điều khiển sử dụng trong đồ án ............79
vi


2.4.3.4 Mạch nguyên lý .............................................................................87
2.4.4 Sự phân chia nhiệm vụ của phần mềm, vi điều khiển trong hệ thống .....88
2.4.4.1 Phần mềm máy tính .......................................................................88
2.4.4.2 Phần mềm của vi điều khiển chủ ...................................................88
2.4.4.3 Vi điều khiển tớ ..............................................................................88
2.4.5 Phần mềm máy tính ...................................................................................88
2.4.5.1 Nhiệm vụ chung .............................................................................88
2.4.5.2Chuẩn bị dữ liệu nội suy cho quá trình gia công ...........................89
2.4.5.3 Các nút điều khiển khác .................................................................89
2.4.6 Phần mềm của vi điều khiển chủ ..............................................................92
2.4.6.1 Nhiệm vụ chính ..............................................................................92
2.4.6.2 Chức năng điều khiển quá trình gia công ......................................93
2.4.6.3 Chức năng di chuyển bàn máy bằng tay (Jog) ...............................93
2.4.6.4 Chức năng điều khiển trở về vị trí Home .......................................93
2.4.6.5 Chức năng dừng chương trình gia công .........................................93

2.4.7 Phần mềm của vi điều khiển tớ ................................................................94
CHƢƠNG 5 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
2.5.1 Máy biến dạng thép ứng dụng từ trường ...................................................95
2.5.2 Giao diện chính của máy ...........................................................................98
2.5.3 Sản phẩm thực nghiệm ..............................................................................99
2.5.3.1 Tấm thép 1: 500 x 400 x 10mm ..................................................100
2.5.3.2 Tấm thép 2: 500 x 500x10 mm ....................................................101
2.5.3.3 Tấm thép 3: 500 x 500 x10 mm ...................................................103
2.5.3.4 Tấm thép 4: 500 x 400 x 20 mm .................................................104
2.5.3.5 Tấm thép 5: 500 x 500 x10 mm ...................................................106
2.5.3.6 Tấm thép 6: 500 x 500 x 10 mm .................................................107
2.5.4 Kết luận ....................................................................................................110
2.5.5 Đề nghị và hướng phát triển ....................................................................110
vii


Tài liệu tham khảo ....................................................................................................111

viii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Biên dạng cong của tấm thép vỏ tàu ...............................................................1
Hình 1.2 Biên dạng của tấm thép lắp ghép tạo thành vỏ tàu .........................................2
Hình 1.3 Máy cán kín của hãng QFI – Mỹ ....................................................................2
Hình 1.4 Máy cán hở của hãng MG – Italia ..................................................................3
Hình 1.5 Máy ép thủy lực một trụ của hãng WETORI – Taiwan .................................3
Hình 1.6 Máy ép thủy lực bốn trụ của hãng KRR - Ấn Độ...........................................4
Hình 1.7 Những dụng cụ dùng trong việc uốn tấm bằng phương pháp thủ công .........4
Hình 1.8 Uốn vỏ tàu bằng đầu đốt khí oxy – axetylen ..................................................5

Hình 1.9 Bệ dùng để uốn nóng bằng phương pháp thủ công ........................................5
Hình 1.10 Định hình thép tấm bằng phương pháp đường nhiệt ....................................6
Hình 2.1.1 Thí nghiệm định luật cảm ứng của Faraday ................................................8
Hình 2.1.2 Một số ứng dụng nung cảm ứng từ trong công nghiệp .............................10
Hình 2.1.3 Cuộn dây cảm ứng với từ trường của nó ...................................................10
Hình 2.1.4 Dòng điện xoáy sinh ra trong một vật dẫn
khi đặt trong từ trường thay đổi ................................................................11
Hình 2.1.5 Hình dáng đầu gia nhiệt và thép tấm được dùng trong đề tài....................11
Hình 2.1.6 Ảnh hưởng của trễ từ đến đường công suất nhiệt .....................................14
Hình 2.1.7 Chiều sâu thấm của dòng điện trong thép .................................................15
Hình 2.1.8 Cường độ dòng điện và cường độ từ trường là một hàm của chiều sâu d.15
Hình .1.9 Hiệu ứng cảm ứng điện từ dọc biên ............................................................17
Hình 2.1.10 Sơ đồ hoạt động của hệ thống nung cảm ứng từ ...................................29
Hình 2.1.11 Khối nguồn 1 ...........................................................................................29
Hình 2.1.12 Khối nguồn 2 ...........................................................................................30
Hình 2.1.13 Dạng ngõ ra điện áp sau khi qua chỉnh lưu .............................................30
Hình 2.1.14 Khối nguồn 3 ...........................................................................................31
Hình 2.1.15 Khối tạo xung ..........................................................................................32
Hình 2.1.16 Mạch công suất 1 .....................................................................................32
ix


Hình 2.1.17 Mạch công suất 2 .....................................................................................33
Hình 2.1.18 Mạch cộng hưởng L-C ............................................................................33
Hình 2.2.1 Phương án phôi cố định .............................................................................34
Hình 2.2.2 Phương án phôi đặt lên bàn trượt theo một trục ........................................35
Hình 2.2.3 Phương án phôi đặt lên bàn trượt theo hai trục .........................................35
Hình 2.2.4 Bộ truyền vít me – đai ốc có rãnh hồi bi dạng ống ...................................37
Hình 2.2.5 Một số bộ truyền bánh răng thông dụng....................................................38
Hình 2.2.6 Rãnh mang cá ............................................................................................39

Hình 2.2.7 Thanh trượt ................................................................................................39
Hình 2.2.8 Sơ đồ động của máy ..................................................................................40
Hình 2.2.9 Sơ đồ lắp ráp của hệ thống ........................................................................41
Hình 2.2.10 Ứng suất của toàn máy ............................................................................44
Hình 2.2.11 Chuyển vị theo phương X .......................................................................44
Hình 2.2.12 Chuyển vị theo phương Y .......................................................................45
Hình 2.2.13 Chuyển vị theo phương Z ........................................................................45
Hình 2.2.14 Ứng suất của chữ I 1 ................................................................................46
Hình 2.2.15 Chuyển theo phương X và phương Y......................................................46
Hình 2.2.16 Chuyển vị theo phương Z ........................................................................46
Hình 2.2.17 Bánh lăn trong thực tế ............................................................................47
Hình 2.2.18 Ứng suất của bánh lăn .............................................................................47
Hình 2.2.19 Chuyển theo phương X và phương Y......................................................48
Hình 2.2.20 Trục trong thực tế ...................................................................................48
Hình 2.2.21 Ứng suất của trục .....................................................................................48
Hình 2.2.22 Chuyển vị theo phương X .......................................................................49
Hình 2.2.23 Chuyển vị theo phương Y .......................................................................49
Hình 2.2.24 Chuyển vị theo phương Z ........................................................................49
Hình 2.2.25 Tấm đỡ trong thực tế ..............................................................................50
Hình 2.2.26 Ứng suất của tấm đỡ ................................................................................50
x


Hình 2.2.27 Chuyển theo phương X, phương Y, phương Z ........................................51
Hình 2.2.28 Thùng đỡ 1 và thùng đỡ 2 trong thực tế .................................................51
Hình 2.2.29 Ứng suất thùng đỡ 1 ................................................................................52
Hình 2.2.30 Chuyển theo phương X, phương Y, phương Z........................................52
Hình 2.2.31 Ứng suất của thùng đỡ 2 ..........................................................................53
Hình 2.2.32 Chuyển theo phương X, phương Y, phương Z ........................................53
Hình 2.2.33 Chữ I 2 trong thực tế ...............................................................................54

Hình 2.2.34 Ứng suất của chữ I 2 ................................................................................54
Hình 2.2.35 Chuyển theo phương X ............................................................................54
Hình 2.2.36 Chuyển vị theo phương Y .......................................................................54
Hình 2.2.37 Chuyển vị theo phương Z ........................................................................55
Hình 2.2.38 Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất và độ dịch chuyển đầu từ 55
Hình 2.3.1 Mô hình hóa máy tạo nhiệt bằng từ trường dưới mô hình robot Decard ..60
Hình 2.4.1 Sơ đồ mạch điện hệ thống .........................................................................65
Hình 2.4.2 Sơ đồ đi dây mạch động lực ......................................................................67
Hình 2.4.3 Bộ điều khiển robot theo cấu trúc PC-based .............................................68
Hình 2.4.4 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống kết nối điều khiển ..............................69
Hình 2.4.5 Sơ đồ giao tiếp điều khiển giữa Host Controller và XYZ Controller .......69
Hình 2.4.6 Sơ đồ giao tiếp điều khiển giữa XYZ Controller và AC Servo Driver .....70
Hình 2.4.7 Sơ đồ khối dành cho điều khiển vị trí của Servo driver ............................70
Hình 2.4.8 Khái niệm cơ bản của bộ nội suy ..............................................................71
Hình 2.4.9 Nội suy bậc thang ......................................................................................72
Hình 2.4.10 Nội suy dây cung .....................................................................................73
Hình 2.4.11 Sơ đồ tổng quan của mạch điều khiển .....................................................78
Hình 2.4.12 Các mức Logic của cổng RS232 .............................................................81
Hình 2.4.13 Sơ đồ chân cổng COM máy tính .............................................................81
Hình 2.4.14 Sơ đồ giao tiếp 1 master, 1 slave .............................................................82
Hình 2.4.15 Sơ đồ giao tiếp một master với nhiều Slave ............................................83
xi


Hình 2.4.16 Sơ đồ truyền SPI ......................................................................................84
Hình 2.4.17 Trình tự truyền SPI ..................................................................................84
Hình 2.4.18 Mạch nguyên lý vi điều khiển chủ và cổng truyền thông RS232 ...........85
Hình 2.4.19 Mạch nguyên lý vi điều khiển tớ điều khiển trục X ................................85
Hình 2.4.20 Mạch nguyên lý vi điều khiển tớ điều khiển trục Y ................................86
Hình 2.4.21 Mạch nguyên lý vi điều khiển tớ điều khiển trục Z ................................86

Hình 2.4.22 Mạch nguyên lý đầu vào công tắc hành trình và tín hiệu điều khiển ......87
Hình 2.4.23 Mạch nguyên lý đầu vào tín hiệu xung Index từ AC Driver Servo ........87
Hình 2.4.24 Giao diện chương trình điều khiển máy phay CNC ................................93
Hình 2.5.1 Mặt trước của máy .....................................................................................95
Hình 2.5.2 Mặt sau của máy ........................................................................................95
Hình 2.5.3 Tủ điện và bảng điều khiển .......................................................................96
Hình 2.5.4 Đồ thị đáp ứng vận tốc của động cơ các trục ............................................98
Hình 2.5.5 Giao diện chính của chương trình điều khiển ...........................................98
Hình 2.5.6 Đo độ biến dạng thép tấm trên máy CMM ................................................99
Hình 2.5.7 Quỹ đạo của đầu từ .................................................................................100
Hình 2.5.8 Hình dạng tấm thép 1 sau gia công .........................................................100
Hình 2.5.9 Hình dạng của tấm thép 1 mô phỏng trên máy tính ................................101
Hình 2.5.10 Quỹ đạo của đầu từ ................................................................................101
Hình 2.5.11 Hình dạng tấm thép 2 sau gia công .......................................................102
Hình 2.5.12 Hình dạng của tấm thép 2 mô phỏng trên máy tính ..............................102
Hình 2.5.13 Quỹ đạo của đầu từ ................................................................................103
Hình 2.5.14 Hình dạng tấm thép 3 sau gia công .......................................................103
Hình 2.5.15 Hình dạng của tấm thép 3 mô phỏng trên máy tính ..............................104
Hình 2.5.16 Quỹ đạo của đầu từ ................................................................................104
Hình 2.5.17 Hình dạng tấm thép 4 sau gia công .......................................................105
Hình 2.5.18 Hình dạng của tấm thép 4 mô phỏng trên máy tính ..............................105
Hình 2.5.19 Hình dạng tấm thép 4 sau gia công .......................................................106
xii


Hình 2.5.20 Hình dạng tấm thép 5 sau gia công .......................................................106
Hình 2.5.21 Hình dạng của tấm thép 5 mô phỏng trên máy tính ..............................107
Hình 2.5.22 Quỹ đạo của đầu từ ................................................................................107
Hình 2.5.23 Hình dạng tấm thép 6 sau gia công .......................................................108
Hình 2.5.24 Hình dạng của tấm thép 6 mô phỏng trên máy tính ..............................108

Hình 2.5.25 Biến dạng của tấm thép 6 theo phương đứng ........................................109

xiii


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.2.1 Khối lượng của các chi tiết trong máy ......................................................42
Bảng 2.2.2 Cơ tính của các loại thép ...........................................................................42
Bảng 2.2.3 Môdun đàn hồi của một số loại vật liệu ...................................................43
Bảng 2.2.4 Thông số bộ động cơ servo HA-FE 23 .....................................................59
Bảng 2.3.1 Bảng tham số Denavit – Hatenberg ..........................................................60
Bảng 2.4.1 Mô tả các chân cổng COM máy tính ........................................................82
Bảng 2.5.1 Các thông số công nghệ máy ....................................................................97

xiv


THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu và chế tạo máy tạo hình nhiệt thép tấm bằng cảm ứng
trong công nghiệp đóng tàu thủy.
- Mã số: B2010-22-54
- Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Trường Thịnh
Tel: 0903.675.673
- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
- Thời gian thực hiện: 03/2010 đến 10/2011
2. Mục tiêu:
Đề xuất một phương pháp tạo hình nhiệt thép tấm sử dụng từ trường tần số cao để
đốt nóng, dựa trên nguyên lý cảm ứng điện trường xuất phát từ năng lượng hấp thụ

điện từ xoay chiều trên tấm thép.
Tự động hóa quá trình biến dạng thép tấm dày, kích thước lớn có thể sử dụng trong
các nhà máy đóng tàu.
Việc sử dụng công nghệ mới này có thể giúp nâng cao chất lượng cũng như năng
suất, hiệu quả kinh tế trong công nghiệp đóng tàu hoặc công nghiệp chế tạo các thiết bị
công nghiệp.
3. Tính mới và sáng tạo:
Việc sử dụng phương pháp tạo hình nhiệt dựa trên nguyên lý cảm ứng điện trường
cho phép kiểm soát công suất và sự phân bố nguồn nhiệt dễ dàng, từ đó nâng cao chất
lượng sản phẩm. Đồng thời việc tích hợp thiết bị tạo nhiệt vào hệ thống robot để tự
động hoá sẽ làm tăng năng suất quá trình gia công.
4. Kết quả nghiên cứu:
- Báo cáo tổng quan về quá trình tạo hình bằng nhiệt bằng cảm ứng điện trường.
- Đầu tạo nhiệt bằng cảm ứng.
- Máy điều khiển chương trình số di chuyển đầu tạo hình nhiệt kết nối với máy tính.
- Phần mềm điều khiển máy.
5. Sản phẩm:
- Máy tạo hình nhiệt bằng cảm ứng.
- Đầu tạo nhiệt bằng cảm ứng điện từ.
- Phần mềm điều khiển máy tạo hình nhiệt bằng cảm ứng.
6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
Trong chiến lược phát triển của Việt Nam đến 2020, ngành đóng tàu được coi là
một trong những ngành quan trọng nhất của công nghiệp hàng hải. Trong đó quá trình
biến dạng thép tấm làm vỏ tàu là khâu rất quan trọng quyết định tới chất lượng thân
tàu. Do đó, khả năng ứng dụng của đề tài vào thực tiễn là rất lớn, giúp tăng năng suất
và chất lượng vỏ tàu.
xv


Summary

1. General information:
Project title:
Design and development of induction heating machine for deforming steel plate in
shipyard
Code number: B2010-22-54
Coordinator: Nguyen Truong Thinh
Implementing Institution: University of Technical Education Ho Chi Minh City
Duration: from 03/2010 to 10/2011
2. Objectives:
- Giving a methodology of thermal forming of steel plates that uses the high frequency
magnetic field to heat, based on the principle of electromagnetic induction form absorb
energy of alternative electromagnet in the steel plate.
- Automating the process of deformation of thickness and large size steel plate, thus it
can be used in the shipyard.
- Using this new method can improve quality, productivity, economic efficiency in the
ship building industry or manufacturing the industrial equipment.
3. Creativeness and innovativeness:
Using this method allow us to easily control the power and heat distribution, thus the
product quality will be increased. Besides that, integrating the inductor into the
automatic system will increase productivity.
4. Research results:
The group of research has designed and developed the numerical thermal
deforming the steel plates based on principle of electromagnetic induction and design
the control software to move inductor accord with user’s commands. The machine
with the approciate size can be used in shipbuilding industry.
5. Products:
- Machine of deforming of steel plate.
- Inductor.
- The monitoring and processing software.
6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

In the development strategy of Vietnam from now to 2020, the shipyard is one of
the most important one of the maritime industries. The steel forming process in
shipyard is considered as an important stage with respect to productivity and precision
of curved plates. Therefore, this methodology can be widely applied to shipyard
industry.

xvi


TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Trong chiến lược phát triển của Việt Nam đến năm 2020, ngành đóng tàu là một
phần rất quan trọng trong công nghiệp hàng hải. Công nghiệp đóng tàu được hy vọng
là ngành đóng góp vào ngân sách lớn thứ hai sau ngành dầu khí sau năm 2020. Quá
trình biến dạng thép trong ngành đóng tàu được xem như là giai đoạn quan trọng nhất
để tạo hiệu quả và tăng độ chính xác của các bề mặt cong của tấm thép ghép nối.
Có 2 kiểu nguồn nhiệt được sử dụng trong quá trình biến dạng nhiệt: đầu đốt
Oxy-axetylen và đầu cảm ứng từ. Trong đề tài này, một quá trình biến dạng nhiệt mới
được đề xuất để bẻ cong tấm thép dày. Quá trình tạo nhiệt cảm ứng từ có những ưu
điểm là công suất nhiệt và sự phân bổ nhiệt dễ dàng tạo ra và điều khiển. Bên cạnh đó
hệ thống cảm ứng từ có thể được tích hợp với robot hoặc máy CNC để tự động hoá.
Quá trình tạo nhiệt này có thể điều khiển được nhiệt độ trên chi tiết gia công. Khi quá
trình nhiệt cảm ứng từ được hỗ trợ bởi các thiết bị di chuyển tự động và giải thuật tạo
đường đi thì hiệu quả quá trình biến dạng thép sử dụng trong công nghiệp đóng tàu sẽ
được cải thiện đáng kể. Quá trình này là một trong những quá trình sản xuất quan
trọng để có thể ứng dụng rộng rãi tạo ra những bề mặt cong trong công nghiệp đóng
tàu

xvii

Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU:
Trong các nhà máy đóng tàu hiện nay, hầu hết việc tạo hình vỏ tàu đều sử dụng đầu
đốt oxy – axetylen (hàn gió đá) để biến dạng nhiệt tấm thép dày. Bên cạnh đó việc tạo
quỹ đạo đường đi của đầu tạo nhiệt hoàn toàn dựa trên kinh nghiệm của người thợ. Do
đó quá trình này hiện nay không đảm bảo tạo bề mặt cong chính xác do việc điều
khiển hầu như phụ thuộc vào kinh nghiệm có được từ bản thân người thợ. Quá trình
này là quá trình thử sai, do đó nó không tiết kiệm được thời gian cũng như tiền bạc,
nâng cao giá thành sản xuất các thiết bị.
Phương pháp tạo hình bằng cảm ứng điện trường là một phương pháp mới đang
được bắt đầu ứng dụng trong các nhà máy đóng tàu trên thế giới. Các nghiên cứu hiện
nay trên thế giới đều tập trung vào việc thiết kế và tính toán biến dạng của tấm thép
trong quá trình định dạng mà chưa đi sâu nghiên cứu việc thiết kế tối ưu đầu tạo nhiệt
cũng như việc tiên đoán đường di chuyển của nó.
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC :
1.2.1 Nƣớc ngoài
Một bộ phận lớn các chi tiết kết cấu thân tàu thủy đòi hỏi phải xử lý uốn trước khi
lắp ghép thành phân đoạn, tổng đoạn hay trực tiếp lên thân tàu. Quá trình tạo hình tấm
thép trong ngành đóng tàu là một giai đoạn khá quan trọng. Có thể điểm qua các kiểu
biên dạng tấm vỏ tàu như Hình 1.1 và Hình 1.2.

Hình 1.1 Biên dạng cong của tấm thép vỏ tàu.[1]
a. Cong hình chóp nón.
c. Cong lượn sóng.
e. Cong hai chiều về một phía.

b.Gấp khúc.
d.Cong hai chiều về một phía.
f.Cong hai chiều về hai phía.

1


Hình 1.2 Biên dạng của tấm thép lắp ghép tạo thành vỏ tàu.[1]
Hiện nay, ngành công nghệ đóng tàu trên thế giới sử dụng các phương pháp tạo
hình thép tấm như sau:
1.2.1.1 Uốn tấm thép trên máy cán nhiều trục.
Trong các xưởng đóng tàu trên thế giới, thường sử dụng các loại máy cán chính sau.
a. Máy cán kín.
Là loại máy vững chắc, có chiều dài làm việc của trục cán từ 8 ÷ 15m, có thể cán
tấm dày từ 25 ÷ 30mm, tùy thuộc vào độ lớn của trục cán. Máy cán kín (Hình 1.3)
thường được dùng để cán các tấm tôn bao mạn và boong tàu vì hạn chế của nó là chỉ
cán tới góc 1800.

Hình 1.3 Máy cán kín của hãng QFI – Mỹ.[1]
b. Máy cán hở.
Cho khả năng nâng một đầu trục và tháo một trong hai ổ đỡ đầu trục, khi cần thiết
lấy một vật được cuốn tròn ra (Hình 1.4). Do đó, phạm vi sử dụng của máy cán hở so
với máy cán kín được mở rộng hơn, bên cạnh đó do cách bố trí trục cán nên có thể sử
2


dụng máy cán hở vào việc uốn tròn, uốn hình côn, làm phẳng, đồng thời cũng có thể
dùng gấp mép tấm.

Hình 1.4 Máy cán hở của hãng MG – Italia.[1]
1.2.1.2 Uốn tấm thép trên máy ép.
Đối với các tấm có đường cong phức tạp thường được uốn trên máy ép bằng các
chày và khuôn mẫu chuyên dụng. Đối với các máy vạn năng, có thể uốn được nhiều
hình dạng tấm thép khác nhau. Để uốn các tấm có biên dạng phức tạp (cong hai chiều),

người ta có thể thực hiện uốn hỗn hợp trên máy cán và máy ép: trên máy cán, uốn sơ
bộ để đạt độ cong một chiều lớn, còn trên máy ép, uốn độ cong nhỏ còn lại.
Máy ép uốn tấm ngày nay thường dùng nhất là loại máy ép một trụ hay bốn trụ như
Hình 1.5 và Hình 1.6.

Hình 1.5 Máy ép thủy lực một trụ của hãng WETORI – Taiwan.[1]

3


Hình 1.6 Máy ép thủy lực bốn trụ của hãng KRR - Ấn Độ.[1]
1.2.1.3 Uốn tấm bằng phương pháp thủ công.
a. Uốn tấm bằng phương pháp đánh búa.
Là phương pháp uốn tấm vỏ tàu bằng cách vạch dấu, sau đó sử dụng búa và các
công cụ hỗ trợ để tạo biên dạng tấm thép. Là phương pháp có thể thực hiện đối với các
biên dạng tấm một hay hai chiều. Các dụng cụ dùng trong uốn tấm thép được mô tả
như Hình 1.7.

Hình 1.7 Những dụng cụ dùng trong việc uốn tấm bằng phƣơng pháp thủ công.
a.Búa tròn. b.Búa đầu dẹt. c.Kẹp vận chuyển. d.Chìa vặn. e.Vít định vị.
f.Càng giữ tấm. g.Tấm đệm. h.Càng đệm. i.Đòn tay dài. k.Đòn tay ngắn.
b. Uốn tấm bằng đầu đốt khí Oxy - axetylen.
Uốn tấm bằng phương pháp dùng đầu đốt khí oxy - axetylen hay còn gọi là phương
pháp hỏa công ở Việt Nam, là phương pháp sử dụng nguồn nhiệt của đầu đốt khí oxy –
axetylen để đốt nóng vùng chi tiết cần uốn đến gần nhiệt độ nóng chảy của kim loại,
rồi sau đó ta dùng nước tưới vào vùng chi tiết vừa đốt nóng đó, ( Hình 1.8). Sự thay
đổi đột ngột của nhiệt độ, sẽ tạo nên ứng suất dư tại vùng chi tiết bị đốt nóng, làm cho
vùng chi tiết đó bị uốn cong. Biên dạng cần tạo của vỏ tàu tùy thuộc vào nhiệt độ được
cung cấp cho vùng chi tiết. Chất lượng tạo hình bề mặt cũng như biên dạng của tấm
thép phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề của người thợ.

4


Hình 1.8 Uốn vỏ tàu bằng đầu đốt khí oxy – axetylen.
c. Uốn nóng tấm.
- Phương pháp uốn nóng tấm được sử dụng trong trường hợp trong xưởng không
có các máy cán hoặc máy ép hay các tấm quá dày hay các tấm có biên dạng quá phức
tạp.
- Vật liệu được nung nóng đến 10000C trong lò nung có kích thước tùy thuộc vào
độ lớn của tấm, sau đó tấm được đưa lên bệ khung hay bệ đặc để rèn thủ công hoặc
đưa lên bàn ép để ép bằng máy thủy lực như Hình 1.9.

a. Bệ đặc.

b. Bệ khung.

Hình 1.9 Bệ dùng để uốn nóng bằng phƣơng pháp thủ công.
1.2.1.4 Uốn tấm bằng phương pháp gia nhiệt cảm ứng.
- Là phương pháp thường sử dụng trong công nghiệp đóng tàu để định hình các
tấm thép vỏ tàu.
- Là phương pháp sử dụng nguồn nhiệt để đốt nóng tấm thép từ dòng điện dựa
trên hiện tượng cảm ứng điện từ: khi cho một dòng điện xoay chiều có tần số cao chạy
qua một cuộn dây làm việc (cuộn cảm ứng), xung quanh nó sẽ sinh ra một từ trường
biến thiên theo thời gian. Nếu đặt trong từ trường này một vật dẫn điện (kim loại hay
hợp kim) thì trong vật dẫn cũng xuất hiện một dòng điện cảm ứng khép kín gọi là dòng
điện xoáy (dòng Foucault). Các dòng điện này có cùng tần số nhưng ngược chiều với
dòng điện trong cuộn dây. Dòng điện xoáy xoay chiều trên vật cần nung nóng (tấm
thép) cũng phát sinh ra từ trường ngược chiều với từ trường chính trong cuộn dây
(cuộn cảm ứng). Do hiệu ứng Joule-Lenz, năng lượng của các dòng điện xoáy xoay
chiều chuyển hóa thành nhiệt năng nung nóng vật tấm thép [2].

5


-

Là quá trình sản xuất được sử dụng rộng rãi để định hình các tấm thép với chiều

dài khác nhau, có thể tạo các bề mặt phức tạp mà không cần sự can thiệp và hỗ trợ các
phương pháp gia công cơ khác.
-

Định hình tấm thép bằng phương pháp đường nhiệt là quá trình bẻ cong tấm

thép dưới biến dạng đàn hồi do quá trình làm nóng và nguội liên tục.

Hình 1.10 Định hình thép tấm bằng phƣơng pháp đƣờng nhiệt – Công ty công
nghiệp nặng Samsung và Huyndai (Hàn Quốc).
1.2.2 Trong nƣớc.
Tại các nhà máy đóng tàu ở Việt Nam, quá trình tạo hình tấm thép vỏ tàu ngoài việc
sử dụng các phương pháp uốn trên máy cán nhiều trục hay uốn trên máy ép, hiện nay
sử dụng phương pháp tạo hình nhiệt - cơ bằng đầu đốt oxy-axetylen đã phổ biến. Quá
trình biến dạng nhiệt này được sử dụng là do thiết bị có giá thành rẻ, tuy nhiên nó phụ
thuộc vào kỹ năng của người thợ khi điều chỉnh độ cong của tấm thép theo ý muốn,
mặt khác lượng nhiệt sinh ra trong quá trình đốt hỗn hợp khí oxy-axetylen không dễ
dàng kiểm soát đặc tính tạo nhiệt từ quá trình phản ứng cháy và về mặt thẩm mỹ cũng
như vệ sinh thì gia công bằng đầu đốt oxy-acetylene, đốt nóng trực tiếp bề mặt chi tiết,
đồng thời làm nguội nhanh bằng nước nên bề mặt chi tiết dơ bẩn. Trong khi đó, đối
với các loại tàu công suất lớn, vỏ tàu có bề dày lớn thì việc gia công vỏ tàu đòi hỏi cần
phải định dạng biên dạng có độ chính xác cao, quá trình định hình bằng đầu đốt hỗn
hợp khí oxy-acetylene chỉ có thể sử dụng giới hạn trong một số ứng dụng, nên không

thể có hiệu quả cao đối với các tàu công suất lớn.
Những năm gần đây, Việt Nam cũng đã chế tạo thành công máy uốn và ép vỏ tàu
bằng thủy lực, điều khiển bằng PLC (bộ điều khiển lập trình khả dĩ) với trọng tải 1500
tấn, ứng dụng cho tàu chở thô 100.000 tấn.
6


1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI:
Với những ưu điểm nổi trội như đã phân tích ở trên, đề tài sẽ đi vào nghiên cứu và giải
quyết các vấn đề sau:
- Đề xuất một phương pháp tạo hình nhiệt thép tấm sử dụng từ trường tần số cao để
đốt nóng dựa trên nguyên lý cảm ứng điện trường xuất phát từ năng lượng hấp thụ
điện từ xoay chiều trên tấm thép.
- Tự động hóa quá trình biến dạng thép tấm dày kích thước lớn có thể sử dụng trong
các nhà máy đóng tàu.
- Việc sử dụng công nghệ mới này có thể gíup nâng cao chất lượng cũng như năng
suất, hiệu quả kinh tế trong công nghiệp đóng tàu hoặc công nghiệp chế tạo các thiết bị
công nghiệp.
1.4 PHƢƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU:
Đề tài này sử dụng phương pháp phân tích, khảo sát, phân tích thực nghiệm, mô
phỏng và thí nghiệm, cũng như ứng dụng trực tiếp vào sản xuất ở các nhà máy đóng
tàu. Mục đích chính của đề tài nhằm nghiên cứu và phát triển máy biến dạng thép bằng
cảm ứng sử dụng trong công nghiệp đóng tàu.
Máy được nghiên cứu và chế tạo từ đề tài này chủ yếu sử dụng trong công nghiệp
đóng tàu. Ngoài ra máy này có thể ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác như
công nghiệp chế tạo các máy móc công nghiệp nặng.
Máy sẽ được nghiên cứu và chế tạo phục vụ cho việc làm biến dạng các miếng thép
tấm có chiều dày 10mm.

7