Nghiên cứu, tích hợp hệ thống cơ khí, thủy lực và điều khiển CNC trong máy uốn ống

1

Lời mở đầu
Các sản phẩm ống uốn đ-ợc ứng dụng rất đa dạng nh- : ống dẫn dầu, ống
dẫn n-ớc, ống dẫn khí, và ống làm trang trí ...
ở n-ớc ta, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy uốn ống CNC vẫn ch-a đ-ợc
thực hiện một cách khoa học và có tính hệ thống, cơ sở lý thuyết ch-a đầy đủ.
Đối với xã hội nhu cầu về ống uốn rất lớn. Các nhà máy này cần các máy uốn
ống với các ống có đ-ờng kính khác nhau và có khả năng tự động hoá cao. Hiện nay,
các thiết bị uốn ống sử dụng trong các nhà máy chủ yếu là các máy uốn ống điều
khiển PLC của Trung Quốc và của Nga chế tạo. Một vài nhà máy đóng tàu đã bắt
đầu nhập các máy uốn ống CNC của Đức, nh-ng với giá thành nhập khẩu rất cao
(khoảng 15 20 tỷ một thiết bị). Các máy uốn ống điều khiển PLC có hiệu suất thấp,
tính linh hoạt và độ tin cậy không cao, chỉ tiêu về độ chính xác của ống uốn khó
đảm bảo, ... Song cho tới thời điểm này, chúng ta ch-a có cơ sở nào chế tạo máy
uốn ống CNC để thay thế cho các máy kiểu cũ nhập ngoại.
Đề tàiNghiên cứu, tích hợp hệ thống cơ khí, thủy lực, và điều khiển
CNC trong máy uốn ống.
Mặc dù thời gian, kiến thức còn hạn chế, nội dung thực hiện Đề tài là rất rộng,
đòi hỏi tích hợp nhiều lĩnh vực khác nhau, song với sự giúp đỡ của các thầy cô, cơ
quan công tác, các đơn vị sản xuất và sự nỗ lực của bản thân nhóm thực hiện Đề tài
với quyết tâm rất cao đã thực hiện thành công Đề tài nêu trên.
Với khả năng và các điều kiện công nghệ hiện có, kết quả đề tài còn tồn tại
một số thiếu sót và hạn chế. Chúng tôi rất mong các ý kiến đóng góp của các nhà
khoa học, các thầy cô giáo, các nhà sản xuất trong lĩnh vực này để sản phẩm của Đề
tài sớm đ-ợc đ-a vào ứng dụng rộng rãi phục vụ sản xuất.


2

Mục Lục

Lời nói đầu
Nội dung báo cáo chính
Ch-ơng 1: Tổng quan về máy uốn ống

1.1.Tình hình nghiên cứu về máy uốn ống trên thế giới và ở trong n-ớc .................... 5
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................................... 5
1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong n-ớc ................................................................... 7
1.2. Các ph-ơng pháp và một số thiết bị uốn ống ...................................................... 8
1.2.1. Các ph-ơng pháp uốn ống cơ bản ................................................................ 8
1.2.2. Một số loại thiết bị uốn ống ........................................................................... 9
1.3. Lựa chọn kiểu máy uốn ống. Nguyên lý hoạt động, đặc điểm kết cấu của máy
uốn ống kiểu trục tâm. ............................................................................................... 10
1.4. Mục đích, ý nghĩa của luận văn.......................................................................... 10
1.5. Các sản phẩm ống uốn và ứng dụng ................................................................... 11
Ch-ơng 2: Cơ sở KHOA HC công nghệ quá trình uốn ống.

2.1. Sự phân bố ứng suất và biến dạng theo chiều dày của ống uốn ......................... 13
2.2. Kích th-ớc của ống uốn khi uốn ........................................................................ 16
2.3. Lực uốn và mômen uốn ...................................................................................... 19
2.4. Biến dạng đàn hồi khi uốn .................................................................................. 21
2.5. Các ph-ơng pháp giảm biến dạng đàn hồi khi uốn ............................................ 27
2.6. Xác định bán kính uốn nhỏ nhất cho phép ......................................................... 27
2.7. Các dạng công nghệ uốn ống hiện nay............................................................. 32
2.7.1. Uốn tự do ..................................................................................................... 32
2.7.2. Uốn có kéo dọc trục .................................................................................... 32
2.7.3. Uốn có nén dọc trục ................................................................................... 33
2.7.4. Uốn kiểu trục tâm ........................................................................................ 34
2.7.5. Uốn có nung nóng cục bộ............................................................................ 37

3

2.8. Bảng tiêu chuẩn các loại ống dùng trong ngành công nghiệp39
Ch-ơng 3: kết cấu cơ khí, mô hình hoá và Mô phỏng 3D máy uốn ống

3.1. Xác định các thông số cơ bản của máy uốn ống .............................................. 41
3.2. Sơ đồ động của máy uốn ống ............................................................................. 41
3.2.1. Sơ đồ động .................................................................................................... 41
3.2.2. Giải thích nguyên lý hoạt độn ...................................................................... 42
3.3. Kết cấu cụm truyền động chính ........................................................................ 43
3.3.1. Kết cấu cơ khí............................................................................................... 43
3.3.2. Giải thích nguyên lý hoạt động .................................................................... 44
3.4. Kết cấu cụm xe cấp ống .................................................................................... 47
3.4.1. Kết cấu cơ khí............................................................................................... 47
3.4.2. Giải thích nguyên lý hoạt động .................................................................... 47
3.5. Kết cấu cụm ụ sau .............................................................................................. 48
3.5.1. Kết cấu cơ khí............................................................................................... 48
3.5.2. Giải thích nguyên lý hoạt động .................................................................... 48
3.6. Thiết kế kết cấu máy uốn ống ............................................................................ 49
3.7. Mục đích của mô phỏng 3D và khảo nghiệm mô hình ...................................... 51
3.7.1. Mục đích của mô phỏng 3D máy uốn ống ................................................... 51
3.7.2. Mục đích của mô phỏng mô hình ................................................................. 51
3.8. Mô phỏng 3D máy uốn ống .............................................................................. 51
3.8.1. Lựa chọn công cụ mô phỏng ........................................................................ 51
3.8.2. Nguồn dữ liệu và quy trình mô phỏng.......................................................... 52
Ch-ơng 4: hệ thống thuỷ lực và điện điều khiển máy uốn ống

4.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thuỷ lực .............................................................. 57
4.1.1. Sơ đồ nguyên lý ............................................................................................ 57
4.1.2. Giải thích nguyên lý hoạt động .................................................................... 58

4.2. Các thông số cơ bản của hệ thống thuỷ lực ....................................................... 58
4.3. Một số thiết bị điều khiển thuỷ lực điển hình .................................................... 59
4.4. Sơ đồ điều khiển mạch trung tâm CNC .............................................................. 61


4

4.5. Giải thích sơ đồ điều khiển mạch trung tâm CNC ............................................. 61
4.6. Một số yêu cầu đối với mạch điều khiển trung tâm CNC .................................. 63
4.7. Một số hệ thống điện điều khiển điển hình ........................................................ 65
4.7.1. Khối điện động lực ....................................................................................... 65
4.7.2. Khối điện điều khiển .................................................................................... 68
4.7.3. Khối các thiết bị điện bảo vệ ........................................................................ 70
4.7.4. Khối đo l-ờng và tín hiệu ............................................................................. 71
Ch-ơng 5: Chạy thử, khảo nghiệm kết quả

5.1. Chạy thử thiết bị ................................................................................................. 72
5.1.1. Quy trình chạy thử từng phần ....................................................................... 72
5.1.2. Quy trình chạy thử toàn bộ ........................................................................... 73
5.2. Kết quả khảo nghiệm.......................................................................................... 73
5.2.1. Về khối l-ợng công việc............................................................................... 73
5.2.2. Về chất l-ợng công việc ............................................................................... 74

Kết luận và kiến nghị

1. Các kết quả đạt đ-ợc của Đề tài ............................................................................ 75
2. Một số kiến nghị.................................................................................................... 75
3. Kết luận ................................................................................................................. 76
tài liệu tham khảo
Lời cảm ơn

5

Ch-ơng 1
Tổng quan về máy uốn ống
1.1.Tình hình nghiên cứu về máy uốn ống trên thế giới và ở trong n-ớc
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Vào cuối thế kỷ 20, các kết quả nghiên cứu về máy uốn ống đã đ-ợc ứng dụng
nhiều vào sản xuất với nhiều loại máy uốn ống, uốn đ-ợc nhiều kích cỡ ống khác
nhau. Có một số hãng trên thế giới chuyên chế tạo các chủng loại máy uốn ống
nhử :
-

Hãng FABRICOM-piping của Bỉ (chuyên chế tạo các thiết bị uốn ống cỡ

lớn).
-

Tập đoàn SHAW GROUP INC của Mỹ.

-

Hãng BAILEIGH của Đức.

-

Công ty SHANGHAI GUOQING MACHINERY Co., Ltd của Trung Quốc.

Các loại máy uốn ống của các hãng trên đ-ợc thiết kế, chế tạo hàng loạt thành

các sản phẩm công nghiệp và đ-ợc bán rộng rãi trên toàn thế giới. Một số n-ớc có
các hãng, nhà máy lớn chuyên sản xuất máy uốn ống là Đức, Nga, Trung Quốc, Đài
Loan... Ban đầu máy chỉ điều khiển bằng tay, sau đó đ-ợc tích hợp thêm các bộ điều
khiển PLC để điều khiển góc uốn, các thông số uốn một cách bán tự động. Cho đến
nay hệ máy này đã đ-ợc nhiều hãng tích hợp bộ điều khiển CNC có thể lập trình
trên máy tính để cho máy tự động uốn đ-ợc các biên dạng ống phức tạp. Ngoài ra,
hệ điều khiển này còn cho phép tự động điều chỉnh chế độ uốn cũng nh- có thể cho
phép ng-ời dùng xây dựng th- viện các ch-ơng trình chuẩn để tự động uốn các ống
điển hình cho từng ngành công nghiệp. Hiện nay trên thế giới với các ống có đ-ờng
kính lớn dùng trong công nghiệp đóng tàu và công nghiệp dầu khí, hoá chất v.v
thì ng-ời ta th-ờng sử dụng máy uốn ống kiểu trục tâm điều khiển CNC. Đây là loại
máy uốn ống hiện đại chuyên dùng ủeồ uốn các loại ống có đ-ờng kính ngoài lớn
và dày.
Thiết bị uốn ống rất đa dạng về chủng loại và kích cỡ. Việc lựa chọn thiết
bị phụ thuộc chủ yếu vào các yêu cầu công nghệ, độ chính xác ống uốn. Tuỳ theo


6

công nghệ uốn, kết cấu máy, kiểu dẫn động và mức độ tự động hoá, các máy uốn
ống đ-ợc chia ra thành các loại chính nh- sau:
Theo kết cấu máy:
+ Máy uốn theo kiểu cuốn kéo (Rotary Draw Bender)
+ Máy uốn theo kiểu trục lăn ép (Roll Bender)
+ Máy uốn theo kiểu trục tâm (Mandrel Bender)
Theo ph-ơng thức điều khiển:
+ Máy uốn ống điều khiển bằng tay
+ Máy uốn ống điều khiển PLC (điều khiển lôgíc khả trình)
+ Máy uốn ống điều khiển CNC (điều khiển theo ch-ơng trình máy tính)
Ưu điểm và nh-ợc điểm của các loại máy uốn ống:

Máy uốn theo kiểu cuốn kéo, máy uốn theo kiểu trục lăn đều có những
nh-ợc điểm lớn:
- Máy chỉ uốn đ-ợc các ống có đ-ờng kính nhỏ.
- Chủ yếu đ-ợc điều khiển bằng tay lên chỉ uốn đ-ợc các đ-ờng uốn đơn giản,
năng suất thấp.
- Khó khắc phục đ-ợc các vết nhăn do không có trục tâm định h-ớng.
Máy uốn ống kiểu trục tâm thuỷ lực điều khiển CNC khắc phục đ-ợc phần
lớn các nh-ợc điểm của các loại máy uốn trên và có một số -u điểm nổi trội
sau:
+ Máy có khả năng uốn đ-ợc các ống có đ-ờng kính ngoài và chiều dầy lớn
rất phù hợp với ngành công nghiệp đóng tàu đặc biệt là với các tàu dầu cỡ lớn. Với
máy uốn ống này có thể uốn đ-ợc các ống có bán kính ngoài tới 300mm và chiều
dày lên tới 10-12mm.
+ Máy dùng hệ dẫn động thuỷ lực nên quá trình uốn êm và có thể đạt đ-ợc lực
uốn rất lớn (có thể đạt tới 30MPa). Dễ điều khiển tự động, kết cấu t-ơng đối gọn.
+ Máy dùng bộ điều khiển CNC (Computer Numerical Control) nên quá trình


7

uốn đ-ợc tự động hoàn toàn và có thể uốn đ-ợc những biên dạng phức tạp, tăng
năng suất uốn, độ chính xác khi uốn tăng lên gấp nhiều lần so với các máy uốn ống
không dùng CNC. Nhờ có sự trợ giúp của máy tính mà các giá trị bù góc uốn do sự
đàn hồi trở lại sẽ đ-ợc máy tính tính toán và bù tự động một cách chính xác theo
từng vật liệu, kích th-ớc ống uốn, điều kiện công nghệ uốn.
Nh-ợc điểm của máy uốn ống kiểu trục tâm là kích th-ớc máy t-ơng đối lớn
do phải gá trục tâm, sử dụng nhiều chuyển động phụ nên hệ thống thuỷ lực khá phức tạp.
Với những -u điểm trên, đặc biệt là -u điểm có khả năng uốn đ-ợc các
ống có kích cỡ khá lớn và đ-ờng ống phức tạp, máy uốn ống điều khiến CNC rất
phù hợp với quy mô công nghiệp. Hiện nay thế giới có xu h-ớng sử dụng loại máy

uốn ống kiểu trục tâm thay thế dần cho các loại máy uốn ống khác và đã đ-ợc ứng
dụng cho một số ngành công nghiệp nh-: Công nghiệp đóng tàu, công nghiệp dầu
khí, công nghiệp hoá chất, công nghiệp lạnh và điều hoà không khí...
1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong n-ớc
Hiện nay, ở trong n-ớc ch-a có công trình nào nghiên cứu về công nghệ uốn
ống và máy uốn ống chuyên dụng một cách khoa học, có cơ sở lý thuyết t-ơng đối
đầy đủ, đặc biệt là công nghệ uốn và máy chuyên dụng uốn ống có đ-ờng kính và
chiều dày thành ống lớn.
Từ khoảng năm 2002 trở về tr-ớc, tại các nhà máy cơ khí của ta việc uốn ống
th-ờng đ-ợc thực hiện bằng ph-ơng pháp thủ công với các công cụ gá lắp thô sơ;
một số nhà máy đ-ợc trang bị các máy uốn ống cong một chiều nhập từ Liên Xô
(cũ), Trung Quốc thuộc thế hệ máy của thập niên 80, uốn đ-ợc các ống có đ-ờng
kính nhỏ (100mm). Gần đây do yêu cầu phát triển của ngành công nghiệp Việt
Nam, một số nhà máy lớn có điều kiện nhập các máy uốn ống lớn hơn. Tuy nhiên,
các máy nhập này giá đắt, lại phải trả bằng ngọai tệ mạnh, nh-ng vẫn ch-a đáp ứng
hết các yêu cầu công nghệ .
Xuất phát từ việc phân tích các -u nh-ợc điểm của các lọai máy uốn ống và
thực tế ứng dụng các lọai ống uốn trong ngành công nghiệp cũng nh- những hạn
chế của hàng lọat máy uốn ống PLC nhập ngọai tại các nhà máy hiện nay, chúng tôi


8

lựa chọn nghiên cứu, tích hợp hệ thống cơ khí, thủy lực và điều khiển CNC có khả
năng uốn đ-ợc loại ống có đ-ờng kính và chiều dày khác nhau, chế tạo hàng loạt
máy uốn ống kiểu này trang bị cho các ngành công nghiệp khác nhau nh- dầu khí,
hoá chất, cấp thoát n-ớc. Hiện nay, ngành chế tạo máy của chúng ta đã có những
tiến bộ về thiết kế, chế tạo nên mục tiêu đã nêu là khả thi và nên tiến hành sớm để
đáp ứng các nhu cầu thiết yếu của công nghiệp, hiện đại hoá công nghệ, nâng cao tỷ
lệ nội địa hoá, nâng cao chất l-ợng sản phẩm, giảm nhập khẩu các thiết bị mà trong

n-ớc có khả năng chế tạo.
1.2. Các ph-ơng pháp và một số thiết bị uốn ống
1.2.1. Các ph-ơng pháp uốn ống cơ bản
+ Hiện nay công nghệ uốn ống chủ yếu đ-ợc tiến hành theo các ph-ơng pháp
sau:
a) Ph-ơng pháp cuốn kéo (Rotary Draw): Đây là một ph-ơng pháp uốn ống
đơn giản sử dụng kết hợp chuyển động quay của khuôn uốn cùng với các
chuyển động kẹp của các má kẹp ống trong quá trình uốn ống. Ph-ơng
pháp này chỉ sử dụng uốn các ống có đ-ờng kính nhỏ, chiều dày ống lớn
và với những biên dạng uốn đơn giản.
b) Ph-ơng pháp lăn ép (Roll): Đây là ph-ơng pháp uốn ống sử dụng các con
lăn uốn để tạo hình cho ống uốn. Ph-ơng pháp này chủ yếu sử dụng cho
các nguyên công uốn thủ công với các loại ống nhỏ và sản xuất với số
l-ợng ít.
c) Ph-ơng pháp uốn kiểu trục tâm (Mandrel): Đây là ph-ơng pháp đ-ợc sử
dụng rất phổ biến hiện nay bởi tính -u việt về công nghệ của ph-ơng pháp.
Ph-ơng pháp này có một số -u điểm chính sau:
+ Máy có khả năng uốn đ-ợc các ống có đ-ờng kính ngoài và chiều dầy lớn,
rất phù hợp với ngành công nghiệp.
+ Máy dùng hệ dẫn động thuỷ lực nên quá trình uốn êm và có thể đạt đ-ợc lực
uốn rất lớn, dễ điều khiển tự động, kết cấu t-ơng đối gọn.
Nh-ợc điểm của máy uốn ống kiểu trục tâm là kích th-ớc máy t-ơng


9

đối lớn do phải gá trục tâm, sử dụng nhiều chuyển động phụ nên hệ thống thuỷ lực khá
phức tạp.
Với những -u điểm trên, đặc biệt là -u điểm về khả năng uốn đ-ợc các ống có
kích cỡ khá lớn và đ-ờng ống phức tạp. Hiện nay thế giới có xu h-ớng sử dụng loại

máy uốn ống kiểu trục tâm thay thế dần cho các loại máy uốn ống khác và đã đ-ợc
ứng dụng cho một số ngành công nghiệp nh-: Công nghiệp đóng tàu, công nghiệp
dầu khí, công nghiệp hoá chất, công nghiệp lạnh và điều hoà không khí...
1.2.2. Một số loại thiết bị uốn ống

Hình 1.1: Máy uốn ống kiểu trục tâm điều khiển NC (do Trung Quốc chế tạo)


10

Hình 1.2: Máy uốn ống điều khiển bằng tay do Liên Xô (cũ) chế tạo
1.3. Lựa chọn kiểu máy uốn ống, Nguyên lý hoạt động, đặc điểm kết cấu của
máy uốn ống kiểu trục tâm.
Xuất phát từ những phân tích trên đây về -u nh-ợc điểm, phạm vi ứng dụng
của các lọai máy uốn ống, Đề tài chọn lọai máy uốn ống kiểu trục tâm,làm đối
t-ợng nghiên cứu, tích hợp.
1.4. Mục đích, ý nghĩa của luận văn.
Đối với xã hội nhu cầu về ống uốn rất lớn. Các nhà máy này cần các máy uốn
ống với các ống có đ-ờng kính khác nhau có độ chính xác cao và có khả năng tự
động hoá cao.
Hiện nay, các thiết bị uốn ống sử dụng trong các nhà máy chủ yếu là các máy
uốn ống điều khiển PLC của Trung Quốc và của Nga chế tạo. Một vài nhà máy đóng
tàu đã bắt đầu nhập các máy uốn ống CNC của Đức, nh-ng với giá thành nhập khẩu
rất cao (khoảng 15 20 tỷ một thiết bị). Các máy uốn ống điều khiển PLC có hiệu
suất thấp, tính linh hoạt và độ tin cậy không cao, chỉ tiêu về độ chính xác của ống


11

uốn khó đảm bảo, ...

Cho tới thời điểm này, Sau khi tìm hiểu kết cấu cơ khí của máy uốn ống thì
với năng lực thiết kế và chế tạo trong n-ớc chúng ta hoàn toàn có thể chế tạo máy
uốn ống có điều khiển số để thay thế cho các máy kiểu cũ nhập ngoại.
ở n-ớc ta, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy uốn ống CNC vẫn ch-a đ-ợc
thực hiện một cách khoa học và có tính hệ thống, vì vậy đề tài đ-a ra để thúc đẩy
việc thiết kế chế tạo các sản phẩm cơ khí và điều khiển số của các thiết bị cơ khí nói
chung và máy uốn ống điều khiển số nói riêng thay thế cho sản phẩm nhập ngoại tạo
điều kiện thúc đẩy ngành công nghiệp trong n-ớc phát triển ngang tầm với các n-ớc
trong khu vực và thế giới.
Trong đề tài này tập trung vào một số điểm sau.
- Sơ đồ nguyên lý của máy uốn ống.
- Các bộ phận, kết cấu cơ khí điển hình của máy, các chi tiết cơ khí quan
trọng.
- Hệ thống thuỷ lực, và hệ thống điều khiển thuỷ lực của máy
- Điều khiển CNC, Điều khiển linh hoạt các chuyển động của máy để đảm
bảo uốn đ-ợc các ống có hình dạng và kích th-ớc yêu cầu.
1.5. Các sản phẩm ống uốn và ứng dụng.


12

- Các sản phẩm ống uốn đ-ợc ứng dụng rất đa dạng về hình dáng và phạm vi
ứng dụng nh- : ống dẫn dầu, ống dẫn n-ớc, ống dẫn khí, và ống làm trang trí ...phục
vụ cho các ngành công nghiệp dầu khí,Công nghiệp đóng tàu, công nghiệp dầu khí,
công nghiệp hoá chất, công nghiệp lạnh và điều hoà không khí...
- Ngoài ra trong các ngành công nghiệp nhẹ nh- trang trí nội ngoại thất cũng
đang sử dụng rất nhiều các loại ống uốn khác nhau, các sản phảm này ngày càng đòi
hỏi cao về chất l-ợng hình dạng thay đổi liên tục theo thị hiếu của ng-ời tiêu dùng,
do vậy các máy uốn ống thủ công hoặc bán tự động hiện nay không thể đáp ứng
đ-ợc yêu cầu của thị tr-ờng vì các máy này chỉ uốn đ-ợc một số hình dạng nhất

định, việc thay đổi hình dạng là rất khó khăn và khó đảm bảo đ-ợc độ chính xác. Vì
vậy máy uốn ống CNC đang đ-ợc phát triển rất mạnh mẽ.


13

Ch-ơng 2
Cơ sở khoa học và công nghệ quá trình uốn ống
2.1. Sự phân bố ứng suất và biến dạng theo chiều dày của ống uốn
Uốn là một nguyên công nhằm biến đổi các ống uốn (phôi) có trục thẳng
thành các chi tiết có trục cong.
Nguyên công uốn đ-ợc thực hiện trên các máy uốn ống dạng con lăn, dạng
trục tâm, trên máy uốn ống vạn năng hay máy uốn ống tự động điều khiển từ máy
tính. Biên dạng ống uốn đ-ợc tạo ra bằng các biên dạng khuôn uốn trên các máy
uốn ống. Lực uốn P và lực kẹp ống Q sẽ tạo ra mômen uốn làm thay đổi hình dạng
của phôi. Trong quá trình uốn độ cong của phần phôi bị biến dạng sẽ tăng lên và tại
vùng biến dạng xảy ra quá trình biến dạng khác nhau ở hai phía của phôi; các lớp
kim loại ở phía mặt ngoài góc uốn thì bị kéo còn các lớp bên trong thì bị nén. Khi
giảm bán kính uốn, biến dạng dẻo sẽ bao trùm toàn bộ chiều dày phôi.
Sau khi uốn hình dạng và kích th-ớc tiết diện ngang của phôi tại vùng uốn bị
thay đổi. Sự thay đổi tiết diện ngang của phôi sẽ càng lớn khi bán kính uốn r càng
nhỏ.
Sự thay đổi tiết diện ngang tại vùng uốn là do biến dạng dẻo theo bán kính
khuôn uốn với điều kiện thể tích không đổi đã kéo theo biến dạng dẻo ng-ợc dấu
theo một hoặc hai h-ớng t-ơng ứng vuông góc: h-ớng kính và h-ớng trục.
Khi uốn các phôi có thành mỏng có tiết diện ngang hình tròn thì sau khi uốn
tiết diện ngang của phôi tại vùng uốn sẽ bị biến dạng và trở thành hình ô van. Khi đó
chiều dày của phôi tại vùng uốn giảm đi S < S0 và khi mức độ biến dạng lớn (bán
kính uốn nhỏ) tiết diện ngang của phôi tại vùng uốn có độ cong ngang.
Khi uốn phôi có thành dầy tiết diện ngang của phôi hầu nh- không thay đổi

mà chỉ bị giảm chiều dày đi một chút.


14

Trạng thái ứng suất tại vùng uốn đặc tr-ng bởi ứng suất pháp theo h-ớng
tiếp tuyến và theo h-ớng kính. ứng suất là do các thớ dọc của phôi ép lên
nhau. Sự xuất hiện thành phần ứng suất này là do biến dạng dàn hồi của các phần tử
của phôi (theo chiều rộng) nằm cách mép của phôi một khoảng nào đó (hình 2.1).
Khi uốn phôi thành dày biến dạng theo ph-ơng ngang hầu nh- không đáng
kể do trở lực biến dạng theo ph-ơng ngang rất lớn. Vì vậy, khi uốn ống dày, trạng
thái ứng suất là khối còn trạng thái biến dạng là phẳng. Khi uốn ống dày có thêm
thành phần ứng suất là do trở lực liên kết của các phần tử kim loại. Trong vùng
kéo, ứng suất chiều trục là ứng suất kéo, còn ở vùng nén là ứng suất nén. Bề
mặt phân chia giữa vùng kéo và vùng nén gọi là mặt trung hòa ứng suất.
Khi uốn ống mỏng, ứng suất chiều trục rất nhỏ so với ứng suất chảy nên có
thể bỏ qua ( 0). Vì vậy, khi uốn ống mỏng, trạng thái ứng suất có thể coi là
trạng thái ứng suất phẳng.
Giá trị và sự phân bố ứng suất trong vùng biến dạng dẻo tùy thuộc vào bán
kính cong của ống uốn. ở giai đoạn đầu, bán kính cong của ống lớn, ống chỉ bị biến
dạng đàn hồi và giai đoạn này gọi là uốn đàn hồi.

Hình 2.1. Biểu đồ phân bố ứng suất theo chiều dày của ống uốn ở các giai đoạn:
a- uốn đàn hồi dẻo; b- uốn dẻo hoàn toàn;


15

Nếu chúng ta tiếp tục uốn, bán kính uốn giảm dần, các lớp kim loại ở xa tâm
phôi bắt đầu bị biến dạng dẻo. Khi đó ứng suất tiếp tuyến trong các lớp này đạt

đến giá trị ứng suất chảy. Giai đoạn này đ-ợc gọi là giai đoạn uốn đàn hồi dẻo (hay
còn gọi là trạng thái đàn dẻo). Biểu đồ phân bố ứng suất đ-ợc biểu diễn trên hình
2.1.
Nếu tiếp tục giảm bán kính uốn thì vùng biến dạng dẻo sẽ tăng lên còn vùng
biến dạng đàn hồi giảm đi và khi tỷ số r/S 5 thì hầu nh- toàn bộ tiết diện ngang
của phôi ở trạng thái dẻo, bắt đầu giai đoạn uốn dẻo hoàn toàn. ở giai đoạn này xảy
ra sự dịch chuyển rõ rệt của lớp bề mặt trung hoà ứng suất về phía các thớ bị nén của
phôi, sự dịch chuyển này sẽ tăng lên khi bán kính uốn giảm. Biểu đồ phân bố ứng
suất , , theo chiều dày của phôi ở giai đoạn uốn dẻo hoàn toàn đ-ợc chỉ ra
trên hình 2.1.
ở giai đoạn uốn dẻo hoàn toàn, do có sự dịch chuyển của lớp trung hoà ứng
suất, nên ở vùng biến dạng sẽ tồn tại một vùng biến dạng không đơn điệu. Nghĩa là
có những lớp kim loại ở thời điểm tr-ớc đó thuộc vùng nén, nh-ng sau đó lại chịu
kéo. Giữa các lớp này sẽ tồn tại một lớp mà biến dạng nén tr-ớc đó sẽ bằng biến
dạng kéo tại thời điểm đang xét và bề mặt trùng với lớp này đ-ợc gọi là mặt trung
hoà biến dạng (hay lớp trung hoà biến dạng). Đặc điểm của lớp trung hoà biến dạng
là có độ dài bằng độ dài của phôi ban đầu, vì vậy nó là cơ sở tốt nhất để xác định độ
dài của phôi khi uốn. (hình 2.2).


16

Hình 2.2. Vị trí của lớp trung hoà biến dạng
Bán kính cong của lớp trung hoà đ-ợc xác định tuỳ thuộc vào mức độ biến
dạng và loại vật liệu khi uốn. Những đặc tr-ng về năng l-ợng khi uốn (mômen uốn,
lực biến dạng) cũng nh- biến dạng đàn hồi của ống uốn (xuất hiện sau khi bỏ tải
trọng) đ-ợc xác định một cách gần đúng với một giai đoạn nhất định của quá trình
uốn có liên quan đến mức độ thay đổi bán kính uốn: trạng thái ứng suất biến dạng
của vùng biến dạng, trị số ứng suất và bán kính cong của mặt trung hoà.
2.2. Kích th-ớc của ống uốn khi uốn

Độ dài của phôi (ống uốn) khi uốn tại một góc uốn đ-ợc xác định trên cơ sở
cân bằng với độ dài của lớp trung hòa biến dạng. Do vậy đối với một chi tiết uốn, độ
dài của phôi sẽ bao gồm: tổng độ dài của các phần cạnh thẳng và tổng độ dài của
các phần cung cong là các bán kính cong của lớp trung hoà biến dạng tại các góc
uốn.
Lphôi = Lthẳng + Lcong =

n 1

n

i

i 1

i i

180

li

Trong đó:
l i - độ dài của các phần cạnh thẳng;

n- số góc uốn;

bdi

(2.1)

17

i - trị số các góc uốn;

bdi - bán kính cong của lớp trung hoà biến dạng tại các góc uốn.

Nh- vậy muốn xác định đ-ợc độ dài của phôi cần phải xác định đ-ợc vị trí
của lớp trung hoà biến dạng, bán kính cong và độ dài của lớp trung hoà biến dạng tại
một góc uốn.
ở giai đoạn uốn đàn hồi dẻo và ngay cả khi uốn dẻo thuần tuý thẳng với bán
kính uốn t-ơng đối lớn thì lớp trung hoà biến dạng sẽ đi qua trọng tâm tiết diện
ngang của phôi. Nếu tiết diện ngang của phôi là hình tròn với đ-ờng kính D thì:
bd = r + D/2,

trong đó: r là bán kính uốn.
ở giai đoạn uốn dẻo hoàn toàn, trạng thái biến dạng khối với bán kính uốn
nhỏ, do có sự dịch chuyển lớp trung hoà ứng suất về phía tâm uốn nên lớp trung hoà
biến dạng sẽ dịch chuyển về các thớ nén mà không đi qua trọng tâm tiết diện ngang
của phôi. Sự dịch chuyển này sẽ càng nhiều khi bán kính uốn càng nhỏ.
Bán kính cong của lớp trung hoà ứng suất có thể đ-ợc xác định từ điều kiện
cân bằng với bán kính cong lớn nhất của lớp kim loại chịu nén:
-s R.r

r R .r

(2.2)

trong đó:
-s bán kính cong của lớp trung hoà ứng suất;

R, r bán kính ngoài và bán kinh trong của phôi tại góc uốn.
Khi uốn phôi ở trạng thái nguội sẽ có sự hoá bền nh-ng điều đó không ảnh
h-ởng đến trị số của r
Công thức (2.2) có thể sử dụng để xác định bán kính cong của lớp trung hoà
biến dạng.
Theo công thức (2.2):


18

Nếu r = D thì -s = 1,4.D, còn khi r = DS thì -s = 5,5D.
Nh- vậy, khi r = D lớp trung hoà ứng suất dịch chuyển so với mặt trung bình
một khoảng 0,1D.
Còn khi r = 5D thì lớp trung hoà ứng suất trùng với bề mặt trung bình của
phôi.
Bán kính cong của mặt trung hoà biến dạng có thể đ-ợc xác định xác định
bởi một hệ số x, giá trị của nó phụ thuộc vào bán kính cong t-ơng đối r/D, khi r/D
càng lớn thì trị số x càng lớn.
Với r/D = 0,1 thì x = 0,3 còn với r/D = 5 thì x = 0,5.
Nh- vậy, ứng với mỗi giá trị của x ta có thể xác định đ-ợc bán kính cong của
lớp trung hoà biến dạng:
bd = r + x.D

(2.3)

Chúng ta có thể thấy rằng: khi giảm các bán kính uốn r vị trí trung hoà biến
dạng sẽ dịch chuyển về các thớ nén, lớp trung hoà biến dạng sẽ trùng với mặt trung
bình khi r 5D vì khi đó x = 0,5.
Nh- vậy, khi biết đ-ợc vị trí lớp trung hoà biến dạng chúng ta có thể xác định
đ-ợc độ dài của nó và do đó xác định đ-ợc độ dài của phôi uốn (công thức (2.1)).

Khi uốn phôi ống thành dày tiết diện ngang của phôi tại vùng uốn thay đổi
không đáng kể và chủ yếu chỉ bị giảm chiều dày S. Sự biến mỏng chiều dày S tại
vùng uốn có thể đ-ợc xác định gần đúng theo công thức:
S = S Sbd =

S3

42r S

2

(2.4)

Theo công thức (2.4) ng-ời ta thấy rằng, sự biến mỏng rất rõ ràng khi bán
kính uốn nhỏ. Ví dụ khi r = 2S thì giá trị S 1%
Chiều dày phôi sau khi uốn tại vùng biến dạng dẻo có thể đ-ợc xác định trên
cơ sở các số liệu thực nghiệm:


19

Sb.mỏng = .S

(2.5)

Trong đó:
hệ số giảm chiều dày;
S chiều dày ban đầu của phôi (tr-ớc khi uốn).
2.3. Lực uốn và mômen uốn
Mômen cần thiết để uốn phôi ống đ-ợc xác định bằng tổng mômen sinh ra tại

vùng kéo và vùng nén do các ứng suất tiếp đối với tâm uốn (hình 2.1).
-s



R



n
M = M kéo + Mnén = b .d b .d
k

-s

(2.6)

r

Nếu giả thiết rằng ở giai đoạn uốn dẻo hoàn toàn với phôi ống thành dày, ứng
suất tại vùng kéo và vùng nén không đổi trên toàn bộ chiều dày của nó và t-ơng
ứng bằng:

k . S
k . S
Còn mặt trung hoà ứng suất trùng với bề mặt trung bình của phôi và do đó:
-s = r + 0,5S = 0,5 (R + r)
Khi đó mômen uốn sẽ là:
R

-s

-s

r

M = .b S d b S d

S .b.S 2
4

1,5 .W . S

trong đó:
W mômen chống uốn của tiết diện ngang của phôi;

(2.7)


20

= 1 1,15: hệ số thay đổi tính đến sự ảnh h-ởng của ứng suất trung bình
đến b-ớc chuyển quy -ớc của kim loại ở trạng thái dẻo, hệ số này đạt đ-ợc trị số lớn
nhất ở trạng thái biến dạng phẳng (hệ số loga).
ở giai đoạn uốn dẻo hoàn toàn với trạng thái biến dạng khối thì ứng suất
thay đổi trên chiều dày của phôi và bề mặt trung hoà ứng suất dịch chuyển các

thớ nén. Tuy nhiên mômen vẫn không đổi và đ-ợc xác định theo công thức (2.7).
Do vậy, trạng thái ứng suất tại ổ biến dạng khi uốn cũng nh- vị trí của lớp
trung hoà ứng suất, không ảnh h-ởng đến giá trị của mômen uốn.

Khi uốn dẻo hoàn toàn với trạng thái biến dạng khối, xảy ra sự giảm chiều
dày phôi tại vùng biến dạng, điều đó dẫn đến làm giảm trị số mômen uốn. Mức độ
giảm sẽ càng nhiều khi bán kính uốn càng nhỏ. Nếu r = S thì mômen uốn sẽ giảm
khoảng 10%.
ở giai đoạn uốn đàn hồi - dẻo (hình 2.1-a) khi vùng biến dạng đàn hồi đáng
kể so với vùng biến dạng dẻo thì mômen uốn đ-ợc xác định bằng tổng mômen tác
dụng tại vùng đàn hồi và vùng dẻo:
M = Mđ/hồi + M dẻo =





=

by 2
b
S S 2 y 2 S
6
4

=

y 2
bS 2
S 3
12
S

(2.8)

trong đó: y - chiều rộng vùng biến dạng đàn hồi.
Trong công thức trên, nếu y = S thì nó sẽ trở thành công thức để xác định
mômen uốn đối với giai đoạn uốn đàn hồi:
bS 2
M = . .S
6

Nếu y = 0 thì nó sẽ trở thành công thức để xác định mômen uốn khi uốn dẻo
hoàn toàn (công thức (2.7)).


21

Công thức để xác định mômen uốn khi uốn dẻo hoàn toàn với trạng thái biến
dạng khối, nếu tính đến sự hoá bền của vật liệu khi sử dụng đ-ờng gần đúng của đồ
thị hoá bền ta có:
R r2
M = .b S
2

R2 r 2


4 ln



R R2 r 2

r
8






(2.9)

Trong đó: môđun hoá bền.
Nếu = 0 thì công thức (2.9) sẽ trở thành công thức (2.7) khi vật liệu uốn không hoá
bền.
2.4. Biến dạng đàn hồi khi uốn
Quá trình uốn dẻo cũng giống nh- những dạng khác của quá trình biến dạng
dẻo là bao gồm cả biến dạng đàn hồi và biến dạng đàn hồi này sẽ gây ra sự thay đổi
hình dạng và kích th-ớc của chi tiết sau khi uốn so với hình dạng và kích th-ớc của
khuôn nh-: bán kính uốn và góc uốn (hình 1.8). Sở dĩ có sự đàn hồi nh- vậy là do
khi có tải (ngoại lực) tác dụng lên phôi, các lớp kim loại nằm ở vúng kéo có biến
dạng đàn hồi nên bị co ngắn lại, còn các lớp kim loại ở vùng nén thì bị giãn ra. Biến
dạng đàn hồi khác nhau tại vùng kéo và vùng nén gây ra sự quay tiết diện ngang của
phôi và tạo ra góc đàn hồi làm cho bán kính cong và góc uốn bị thay đổi.

Hình 2.3. Sự biến dạng đàn hồi khi uốn.


22

Biến dạng đàn hồi cần phải đ-ợc tính đến khi xác định kích th-ớc làm việc
của khuôn. Điều đó sẽ loại trừ đ-ợc việc nắn lại bằng tay sau khi dập. Nếu biết đ-ợc

các sị số đàn hồi và đặc điểm của sự thay đổi bán kính uốn và góc uốn thì chúng ta
có thể xác định đ-ợc các kích th-ớc làm việc của khuôn:
rch = rđ/hồi - r = rchi tíêt - r

(2.10)

c = đ/hồi r = chi tiết

(2.11)

E. A. Pôpv đã giải bài toán đơn giản nhất để xác định biến dạng đàn hồi khi
uốn dẻo thuần tuý phôi ống thành dày bằng vật liệu đồng nhất không hoá bền với
bán kính uốn đủ lớn (khi đó ảnh h-ởng của ứng suất nén h-ớng kính có thể bỏ
qua vì trị số của chúng t-ơng đối nhỏ):
3

S rch


1 u0
E S


(2.12)

trong đó: u là góc uốn bằng (1800 - )
Khi giải bài toán đã sử dụng giả thuyết mặt cắt ngang vẫn phẳng, lý thuyết
phá huỷ của A. A. Inlusin và định luật Húc (Hooke). Biến dạng đàn hồi của phần
phôi không tiếp xúc với đầu kẹp ống khi nắn đã không đ-ợc tính đến.
Sự chấp nhận trong việc phân tích giả thuyết làm giảm độ chính xác tính toán

trong công thức (2.12), vì thế nó chỉ thích hợp để đánh giá ảnh h-ởng của các yếu tố
đến biến dạng đàn hồi khi uốn. Ví dụ các kim loại màu (hợp kim nhôm) có giới hạn
chảy gần với giới hạn chảy của thép nh-ng có môđun đàn hồi nhỏ (nhỏ hơn 2 3
lần) so với thép, độ co giãn của thép càng lớn biến dạng đàn hồi càng tăng cùng với
việc tăng bán kính uốn t-ơng đối r/S, góc uốn u = (1800 - ) và s (khi E = const).
Việc giải bài toán để xác định biến dạng đàn hồi khi uốn bởi mômen uốn ở
giai đoạn uốn dẻo thuần tuý phẳng có tính đến sự hoá bền của kim loại đã đ-ợc E. N.
Mosnhin thực hiện. Các công thức có dạng:


23

_
_

r ch

rch

S

r ch.t
_
1 2m r ch
E

u ch.t

ch.t

1 2m

E

(2.13)

_

(2.14)

rch.t

Trong đó:
_

rch

rch
- bán kính uốn t-ơng đối của chày;
S

_

rch.t
- bán kính uốn t-ơng đối của chi tiết;
S

rch.t

m K1

K1
K0

K0
- mômem uốn t-ơng đối;
2rch.t

S
- hệ số prôfin tiết diện ngang của phôi;
W





- hệ số hoá bền của kim loại;

Hệ số prôfin tiết diện ngang K1 đối với thép tròn K1 = +1,7.
Công thức (2.13) có thể biến đổi cho tr-ờng hợp uốn phôi bằng kim loại
không hoá bền (E = 0 và K0 = 0) có tiết diện ngang hình tròn (K1 =1,7)
_
_

rch

rch.t
_
1 3 rch.t

E

(2.15)

Có thể sử dụng công thức (2.12) và (2.14) khi uốn bằng mômen với bán kính
uốn t-ơng đối lớn (r > 5S 10S) tức là khi đó ở giai đoạn kết thúc quá trình nắn.


24

Quá trình uốn ở trong khung do tác động của các lực ngang tác dụng vào
phôi ở giữa các gối tựa. Tuy nhiên tính quy luật khi uốn bằng mômen với mức độ
gần đúng có thể sử dụng nh- là khi uốn bằng các lực ngang (điều đó đã đ-ợc xác
định bằng thực nghiệm) trừ khi uốn với bán kính uốn nhỏ, giá trị của biến dạng đàn
hồi t-ơng ứng với giai đoạn uốn dẻo thuần tuý với trạng thái biến dạng khối.
Khi bán kính uốn t-ơng đối nhỏ thì sau khi có sự tiếp xúc của phôi với mặt
bên của đầu kẹp ống, nếu đầu kẹp tiếp tục đi về phía tr-ớc sẽ xảy ra đồng thời quá
trình giảm bán kính uốn tại vùng tâm phôi và quá trình nắn phần cánh của nó. Sau
khi bỏ ngoại lực, do biến dạng đàn hồi ở vùng tâm phôi tiếp xúc với bán kính cong
của đầu kẹp làm cho góc uốn giữa các cánh uốn tăng lên, nh-ng do sự nắn thẳng của
các cánh uốn làm cho góc uốn giảm đi. Sự giảm góc uốn giữa các cánh là khi bỏ tải
trọng tác dụng, các lớp bị kéo của cánh uốn bị co lại, còn các lớp bị nén lại giãn dài
ra, do đó góc uốn ban đầu bị giảm đi. Dạng đàn hồi nh- vậy đ-ợc gọi là đàn hồi
âm.

Hình 2.4. Quan hệ giữa góc đàn hồi và bán kính uốn t-ơng đối.


25

Những nghiên cứu lý thuyết khi uốn với bán kính l-ợn của đầu kẹp nhỏ ở
cuối quá trình uốn có quá trình nắn các cánh của phôi đã chỉ ra rằng: khi uốn góc
đàn hồi đ-ợc xác định bằng hiệu số giữa góc đàn hồi ở phần tâm phôi và góc đàn hồi
của phần cánh của nó:
= g - c
Cần phải xác định rằng sự đàn hồi âm sẽ tăng lên khi giảm bán kính uốn và
tăng khoảng cách giữa các gối tựa của phôi. Từ những phân tích lý thuyết chúng ta
có đ-ợc công thức để xác định bán kính l-ợn cuả đầu kẹp khi g = cánh nghĩa là =
0, nh- sau:

rch

L .S sin
3 sin


2


2

6 cos





S
2

(2.16)

2

B. V. Rabinhin đã nghiên cứu bằng thực nghiệm để xác định góc đàn hồi khi
uốn các kim loại đen với bán kính uốn nhỏ và đã chỉ ra rằng: lực uốn chỉ ảnh h-ởng
đến góc đàn hồi đến một thời điểm hoàn toàn xác định, còn sau đó nếu tăng lực uốn,
góc đàn hồi cũng không bị ảnh h-ởng. Những thí nghiệm đã xác nhận rằng: tuỳ
_

thuộc vào bán kính uốn t-ơng đối rch.t , sự đàn hồi có thể là d-ơng nếu sau khi bỏ tải
trọng góc của chi tiét uốn tăng lên, khi đó: uốn = ch.t - và sự đàn hồi sẽ là âm
nếu nh- sau khi bỏ tải trọng góc của chi tiết uốn giảm đi và khi đó:
uốn = ch.t + .
Ngoài ra cũng phải xác định rằng sự đàn hồi cũng sẽ không có khi = 0 và
do đó uốn = ch.t. Sự thay đổi của góc đàn hồi phụ thuộc vào bán kính uốn t-ơng
_

đối của khuôn uốn rch đ-ợc biểu diễn trên đồ thị hình 2.4.
Từ đồ thị quan hệ này ta có thể nhận thấy rằng khi bán kính uốn t-ơng đối
_

rch tăng và góc uốn của chi tiết ch/t giảm thì góc đàn hồi tăng và đối với mỗi giá

trị góc của chi tiết có một giá trị bán kính uốn t-ơng đối để = 0 nghĩa là không