Resquaring: Quy trình thiết yếu để đạt độ chính xác về kích thước trong sản xuất thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Resquaring là một hoạt động hoàn thiện chính xác được thực hiện trên các sản phẩm thép để thiết lập hoặc khôi phục các cạnh vuông góc và dung sai kích thước chính xác. Hoạt động này bao gồm việc loại bỏ vật liệu khỏi các cạnh của tấm thép, tấm hoặc cuộn thép để tạo ra các cạnh sạch, thẳng và vuông góc đáp ứng các yêu cầu về kích thước đã chỉ định.

Quá trình này rất quan trọng trong sản xuất thép vì nó đảm bảo các quy trình chế tạo hạ nguồn có thể được thực hiện với độ chính xác và hiệu quả. Việc cân chỉnh lại ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng lắp ráp trong các hoạt động hàn, độ chính xác lắp ráp và tính toàn vẹn cấu trúc tổng thể của sản phẩm cuối cùng.

Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, resquaring đại diện cho một giao điểm quan trọng giữa sản xuất thép sơ cấp và chế biến thứ cấp. Nó thu hẹp khoảng cách giữa sản xuất vật liệu rời và các yêu cầu sản xuất chính xác, đóng vai trò là điểm kiểm soát chất lượng quan trọng trong chuỗi chế biến thép.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, việc cân bằng lại giải quyết tình trạng biến dạng cạnh xảy ra trong quá trình gia công thép sơ cấp. Các cạnh thép thường chứa các bất thường về vi cấu trúc, bao gồm các hạt biến dạng, các vết nứt nhỏ và các điểm tập trung ứng suất dư phát triển trong quá trình cán, cắt hoặc đúc.

Quá trình này loại bỏ cơ học các vùng cạnh bị hư hỏng này, để lộ vật liệu mới có cấu trúc hạt đồng đều hơn. Việc loại bỏ các khuyết tật cạnh này làm giảm các điểm tập trung ứng suất có thể đóng vai trò là vị trí bắt đầu nứt trong các hoạt động tạo hình tiếp theo hoặc tải trong quá trình sử dụng.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính chi phối việc cân bằng lại là mô hình biến dạng biến dạng mặt phẳng, mô tả hành vi vật liệu trong quá trình cắt cạnh. Mô hình này tính đến đặc tính chảy dẻo của thép trong điều kiện cắt hạn chế.

Theo truyền thống, việc cân bằng lại được tiếp cận như một sự hiệu chỉnh hình học thuần túy, nhưng sự hiểu biết hiện đại kết hợp các nguyên lý luyện kim. Sự phát triển của phân tích phần tử hữu hạn vào những năm 1970 đã thúc đẩy đáng kể sự hiểu biết về phân phối ứng suất trong quá trình cắt cạnh.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại hiện nay tích hợp cả mô hình độ chính xác hình học và mô hình phản ứng vật liệu, đặc biệt chú ý đến vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt được tạo ra trong các phương pháp cắt nhiệt so với vùng cứng do gia công tạo ra trong các phương pháp cắt cơ học.

Cơ sở khoa học vật liệu

Sự cân bằng lại tương tác trực tiếp với cấu trúc tinh thể của thép, đặc biệt là ở ranh giới hạt. Khi thép bị cắt hoặc xén, vùng cạnh bị biến dạng dẻo nghiêm trọng, tạo ra vùng có cấu trúc tinh thể bị biến dạng cao với mật độ lệch vị trí tăng lên.

Cấu trúc vi mô tại các cạnh cắt thường cho thấy các hạt dài, các dải biến dạng và có khả năng biến đổi pha nếu sử dụng phương pháp cắt nhiệt. Những thay đổi cấu trúc vi mô này có thể kéo dài vài milimét vào vật liệu tùy thuộc vào cấp thép và phương pháp cắt.

Quá trình này kết nối với các nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản về biến dạng dẻo, làm cứng khi gia công và trong trường hợp phương pháp cắt nhiệt, động học chuyển pha. Chất lượng của các cạnh được làm vuông lại ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chống lan truyền vết nứt và hiệu suất mỏi của sản phẩm cuối cùng.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Yêu cầu hình học cơ bản để cân bằng lại có thể được thể hiện như sau:

$\theta = 90° \pm \delta$

Trong đó $\theta$ biểu thị góc được đo giữa các cạnh liền kề và $\delta$ biểu thị dung sai góc cho phép (thường được thể hiện bằng độ hoặc phút).

Công thức tính toán liên quan

Độ chính xác về kích thước sau khi cân bằng lại có thể được định lượng bằng công thức độ lệch thẳng:

$S_d = \max|y_i - y_{lý tưởng}|$

Trong đó $S_d$ là độ lệch thẳng, $y_i$ biểu thị các điểm đo thực tế dọc theo cạnh và $y_{ideal}$ biểu thị cạnh thẳng hoàn hảo về mặt lý thuyết.

Độ dung sai vuông góc có thể được tính như sau:

$P_t = \max|d_i|$

Trong đó $P_t$ là dung sai độ vuông góc và $d_i$ biểu thị khoảng cách từ các điểm được đo đến mặt phẳng tham chiếu vuông góc.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này áp dụng trong điều kiện đo lường tiêu chuẩn với nhiệt độ ở 20°C ± 2°C để giảm thiểu tác động giãn nở nhiệt. Các phép đo nên được thực hiện với tấm thép được hỗ trợ trên bề mặt tham chiếu phẳng để loại bỏ độ lệch trọng lực.

Các mô hình toán học giả định hành vi của vật thể cứng và không tính đến biến dạng đàn hồi trong quá trình đo. Đối với các tấm mỏng hơn 3mm, có thể cần phải lắp đặt cố định đặc biệt để tránh lỗi đo lường do tính linh hoạt.

Các phép tính này cũng giả định rằng các điểm đo đủ nhiều để nắm bắt được các điểm bất thường ở cạnh. Đối với các ứng dụng quan trọng, mật độ điểm đo tối thiểu phải là một điểm trên 100mm chiều dài cạnh.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

• ASTM A6/A6M: Tiêu chuẩn kỹ thuật cho các yêu cầu chung đối với thanh, tấm, hình dạng và cọc ván thép kết cấu cán
• ISO 9013: Cắt nhiệt - Phân loại cắt nhiệt - Thông số kỹ thuật hình học sản phẩm và dung sai chất lượng
• EN 10029: Tấm thép cán nóng dày 3 mm trở lên - Dung sai về kích thước và hình dạng

Mỗi tiêu chuẩn đều cung cấp dung sai cụ thể về độ thẳng của cạnh, độ vuông góc và tình trạng bề mặt sau khi cắt, trong đó ASTM A6 tập trung chủ yếu vào dung sai kích thước cho các ứng dụng kết cấu.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Thiết bị đo lường phổ biến bao gồm thước vuông chính xác, đồng hồ đo quay số và máy đo tọa độ (CMM). Hệ thống đo quang học kỹ thuật số sử dụng công nghệ quét laser cung cấp khả năng đo không tiếp xúc có độ chính xác cao.

Các kỹ thuật đo lường này hoạt động theo nguyên tắc so sánh hình học cạnh thực tế với hình học lý thuyết hoàn hảo. Các hệ thống hiện đại sử dụng mặt phẳng tham chiếu và so sánh kỹ thuật số để tính độ lệch so với hình học lý tưởng.

Các cơ sở tiên tiến sử dụng hệ thống kiểm tra cạnh tự động với công nghệ thị giác máy có khả năng đánh giá chất lượng cạnh theo thời gian thực trong quá trình sản xuất.

Yêu cầu mẫu

Kiểm tra tiêu chuẩn yêu cầu đánh giá cạnh toàn bộ chiều dài với tấm thép được đặt trên bề mặt tham chiếu phẳng. Dung sai độ phẳng của bề mặt tham chiếu phải tốt hơn ít nhất một bậc độ lớn so với dung sai đo lường.

Bề mặt cạnh phải không có vảy rời, xỉ cắt hoặc các mảnh vụn khác có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Đối với các ứng dụng chính xác, các cạnh có thể cần mài nhẹ để loại bỏ gờ trước khi đo.

Vật liệu phải cân bằng nhiệt với môi trường đo để ngăn ngừa tác động giãn nở vì nhiệt trong quá trình đo.

Thông số thử nghiệm

Các phép đo nên được thực hiện ở nhiệt độ phòng tiêu chuẩn (20°C ± 2°C) với độ ẩm tương đối dưới 70% để tránh ngưng tụ trên thiết bị đo chính xác.

Đối với các hệ thống tự động, tốc độ quét thường dao động từ 10-100mm/giây tùy thuộc vào độ chính xác yêu cầu. Lực đo cho các phương pháp tiếp xúc phải được kiểm soát để ngăn ngừa sự biến dạng của vật liệu mỏng.

Điều kiện chiếu sáng cho hệ thống quang học phải cung cấp độ tương phản thích hợp giữa cạnh và nền mà không tạo ra bóng hoặc phản xạ có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.

Xử lý dữ liệu

Việc thu thập dữ liệu thường liên quan đến nhiều điểm đo dọc theo mỗi cạnh, với mật độ lấy mẫu cao hơn ở các góc và khu vực nghi ngờ có độ lệch.

Phân tích thống kê bao gồm tính toán độ lệch tối đa, độ lệch trung bình và độ lệch chuẩn so với hình học lý thuyết. Đối với các ứng dụng quan trọng, có thể thực hiện phân tích tần suất để xác định các khuyết tật cạnh định kỳ.

Giá trị cuối cùng được tính toán bằng cách so sánh độ lệch đo được với các dải dung sai đã chỉ định, với kết quả thường được báo cáo là đạt/không đạt cùng với giá trị độ lệch quan sát được tối đa.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Dung sai độ vuông góc điển hình	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép tấm kết cấu	±1,5mm trên một mét chiều rộng	Nhiệt độ phòng, bề mặt tham chiếu phẳng	Tiêu chuẩn ASTM A6/A6M
Thép tấm chính xác	±0,5mm trên một mét chiều rộng	Môi trường được kiểm soát nhiệt độ (20°C ±1°C)	EN 10131
Tấm nặng (>25mm)	±2.0mm trên một mét chiều rộng	Được hỗ trợ trên bề mặt tham chiếu phẳng	EN 10029
Thép hợp kim thấp cường độ cao	±1.0mm trên một mét chiều rộng	Sau khi giải tỏa căng thẳng	Tiêu chuẩn ASTM A1018

Sự khác biệt trong mỗi phân loại thường là do sự khác biệt về độ dày của tấm, trong đó tấm dày hơn thường cho phép dung sai rộng hơn do khó khăn khi xử lý và hạn chế về cắt.

Các giá trị này đóng vai trò là chuẩn mực kiểm soát chất lượng, với dung sai chặt chẽ hơn cho thấy khả năng sản xuất chính xác cao hơn. Các ứng dụng yêu cầu lắp ráp chính xác thường chỉ định dung sai ở mức thấp hơn của các phạm vi này.

Một xu hướng đáng chú ý cho thấy thép có độ bền cao hơn thường đòi hỏi phải cắt vuông chính xác hơn do khả năng định hình kém, điều này hạn chế khả năng xử lý các cạnh không đều trong quá trình chế tạo tiếp theo.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư kết hợp dung sai cân bằng lại vào các tính toán thiết kế bằng cách thiết lập khoảng hở và độ vừa khít dựa trên chất lượng điều kiện cạnh. Các kết nối cấu trúc quan trọng thường chỉ định các yêu cầu về điều kiện cạnh ngoài dung sai kích thước.

Các hệ số an toàn cho các thông số thiết kế liên quan đến cạnh thường nằm trong khoảng từ 1,5 đến 2,5 tùy thuộc vào mức độ quan trọng của ứng dụng. Các yếu tố này tính đến khả năng tập trung ứng suất tại các cạnh và các thay đổi vi cấu trúc có thể xảy ra do quá trình cắt.

Quyết định lựa chọn vật liệu thường xem xét đến khả năng đạt được chất lượng cạnh mong muốn, vì thép hợp kim cao đôi khi đòi hỏi kỹ thuật cắt chuyên dụng để duy trì độ chính xác về kích thước và tránh làm cứng cạnh.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Đóng tàu là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng, trong đó việc chuẩn bị cạnh chính xác ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mối hàn và tính toàn vẹn của cấu trúc. Các cạnh tấm phải đáp ứng các yêu cầu về độ vuông góc nghiêm ngặt để đảm bảo hình dạng mối hàn phù hợp và giảm thiểu sự tập trung ứng suất.

Sản xuất máy móc chính xác đòi hỏi dung sai cân bằng cực kỳ chặt chẽ để đảm bảo sự vừa vặn giữa các thành phần. Trong các ứng dụng này, độ thẳng cạnh thường phải được duy trì trong phạm vi ±0,1mm trên một mét để đảm bảo lắp ráp đúng cách.

Xây dựng cầu sử dụng các tấm thép vuông lại cho các kết nối chịu tải quan trọng, trong đó tình trạng cạnh ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất chịu mỏi. Các ứng dụng này thường chỉ định cả dung sai kích thước và yêu cầu về chất lượng bề mặt cạnh.

Đánh đổi hiệu suất

Việc cân bằng lại độ chính xác thường xung đột với hiệu quả sản xuất, vì các hoạt động cắt có độ chính xác cao hơn thường đòi hỏi tốc độ xử lý chậm hơn. Sự đánh đổi này trở nên đặc biệt quan trọng trong môi trường sản xuất khối lượng lớn.

Chất lượng cạnh phải được cân bằng với năng suất vật liệu, vì việc cân bằng mạnh hơn sẽ loại bỏ vật liệu bổ sung khỏi các cạnh, làm giảm chiều rộng có thể sử dụng của sản phẩm thép. Sự cân bằng này đặc biệt quan trọng đối với thép hợp kim đắt tiền.

Các kỹ sư cũng phải cân bằng các yêu cầu chuẩn bị cạnh với khả năng xử lý tiếp theo, đôi khi phải chấp nhận dung sai rộng hơn khi các hoạt động tạo hình tiếp theo có thể xử lý được các điểm bất thường nhỏ ở cạnh.

Phân tích lỗi

Nứt cạnh là một chế độ hỏng hóc phổ biến liên quan đến việc cân bằng lại không đầy đủ, đặc biệt là khi các phương pháp cắt nhiệt tạo ra các vùng cứng hoặc ứng suất dư ở các cạnh. Các vết nứt này thường bắt đầu ở các điểm bất thường cực nhỏ dọc theo cạnh cắt.

Cơ chế hỏng hóc tiến triển từ vết nứt nhỏ ban đầu tại các điểm tập trung ứng suất đến sự lan truyền vết nứt dưới tải trọng tuần hoàn, cuối cùng dẫn đến hỏng hóc thành phần. Tiến trình này được tăng tốc khi các cạnh chịu ứng suất uốn vuông góc với hướng cắt.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm lựa chọn phương pháp cắt phù hợp dựa trên đặc tính vật liệu, xử lý nhiệt sau khi cắt để giảm ứng suất dư và xử lý cạnh cơ học như mài hoặc bẻ các cạnh sắc để giảm các yếu tố tập trung ứng suất.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng carbon ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động cắt vuông, trong đó thép có hàm lượng carbon cao hơn có xu hướng cứng hơn trong quá trình cắt nhiệt, có khả năng tạo ra các vùng giòn dễ nứt.

Các nguyên tố vi lượng như lưu huỳnh và phốt pho ảnh hưởng đến chất lượng cạnh bằng cách tác động đến tính đồng nhất của vật liệu và độ ngắn nóng trong quá trình cắt. Thép sạch hiện đại với mức tạp chất giảm thường cho chất lượng cạnh vượt trội sau khi cân chỉnh lại.

Các phương pháp tối ưu hóa thành phần bao gồm cân bằng các nguyên tố làm cứng (Mn, Cr) với chất khử oxy (Si, Al) để đạt được phản ứng cắt tối ưu trong khi vẫn duy trì các đặc tính cơ học cần thiết.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Cấu trúc hạt mịn thường tạo ra chất lượng cạnh vượt trội trong quá trình cắt vuông do đặc tính biến dạng đồng đều hơn và giảm xu hướng nứt nhỏ dọc theo ranh giới hạt.

Sự phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến hành vi cắt, trong đó thép đa pha thường có bề mặt cắt không đều do phản ứng khác nhau của nhiều thành phần vi cấu trúc đối với quá trình cắt.

Các tạp chất và khuyết tật gần các cạnh có thể gây ra độ lệch so với đường cắt dự kiến ​​và tạo ra các điểm tập trung ứng suất có thể gây nứt trong các hoạt động tạo hình tiếp theo hoặc tải trọng trong quá trình sử dụng.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt trước khi cắt vuông góc ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng cạnh, trong đó thép thường hóa hoặc ủ thường có đặc tính cắt đồng đều hơn so với vật liệu tôi và ram.

Lịch sử làm việc cơ học ảnh hưởng đến sự phân bố ứng suất dư, có thể gây biến dạng trong quá trình cân bằng lại khi các ứng suất bên trong được giải phóng. Điều này đặc biệt có vấn đề đối với các tấm cắt bằng ngọn lửa đã trải qua quá trình gia công nguội đáng kể.

Tốc độ làm mát trong quá trình cắt nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến chiều rộng và độ cứng của vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt, trong khi làm mát nhanh hơn thường tạo ra các cạnh cứng hơn nhưng giòn hơn, có thể cần xử lý sau khi cắt.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ môi trường trong quá trình cân chỉnh ảnh hưởng đến độ chính xác về kích thước thông qua hiệu ứng giãn nở vì nhiệt, với sự thay đổi nhiệt độ 20°C có khả năng gây ra sự thay đổi về kích thước khoảng 0,25 mm trên một mét đối với thép cacbon.

Độ ẩm ảnh hưởng đến quá trình cắt plasma và laser bằng cách ảnh hưởng đến độ ổn định của hồ quang và tiêu điểm chùm tia, có khả năng làm giảm chất lượng cắt trong điều kiện độ ẩm cao.

Tiếp xúc với môi trường trong thời gian dài sau khi cắt vuông có thể dẫn đến ăn mòn ưu tiên tại các cạnh cắt, đặc biệt là khi các quá trình cắt nhiệt đã làm thay đổi cấu trúc vi mô tại chỗ hoặc tạo ra ứng suất dư.

Phương pháp cải tiến

Những cải tiến về luyện kim bao gồm phát triển thành phần thép có độ nhạy thấp hơn với tác động cắt nhiệt, thường đạt được bằng cách kiểm soát các yếu tố làm cứng và hình thái tạp chất.

Những cải tiến dựa trên quy trình bao gồm các phương pháp cắt nhiều giai đoạn, trong đó cắt thô được theo sau bởi các hoạt động cắt tỉa chính xác, cho phép giảm ứng suất giữa các giai đoạn và cải thiện độ chính xác về kích thước cuối cùng.

Tối ưu hóa thiết kế bao gồm việc chỉ định các phương pháp chuẩn bị cạnh phù hợp dựa trên độ dày và độ bền của vật liệu, trong đó ưu tiên cắt cơ học cho vật liệu mỏng và cắt nhiệt với xử lý sau cho các phần dày hơn.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Chuẩn bị cạnh là phạm trù rộng hơn về các quy trình được sử dụng để xử lý các cạnh thép cho các hoạt động tiếp theo, bao gồm tạo hình vuông, vát mép và loại bỏ bavia.

Phân loại chất lượng cắt mô tả các hệ thống chuẩn hóa để đánh giá và chỉ định tình trạng của các cạnh cắt, bao gồm các thông số như độ vuông góc, độ nhám và đặc điểm vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt.

Phân tích xếp chồng dung sai kích thước kiểm tra cách dung sai của từng thành phần, bao gồm độ vuông góc của cạnh, kết hợp với nhau để ảnh hưởng đến độ chính xác và chức năng lắp ráp tổng thể.

Các thuật ngữ này tạo thành một khuôn khổ liên kết để xác định, đo lường và kiểm soát các điều kiện cạnh trong suốt chuỗi quy trình sản xuất và chế tạo thép.

Tiêu chuẩn chính

ISO 9013 cung cấp tiêu chuẩn quốc tế toàn diện nhất về phân loại chất lượng cắt nhiệt, thiết lập năm phạm vi chất lượng cho dung sai vuông góc và độ nhám bề mặt của các cạnh cắt.

AWS D1.1 (Quy định hàn kết cấu - Thép) chỉ định các yêu cầu chuẩn bị cạnh cho các kết nối hàn, bao gồm các phạm vi chấp nhận được về độ vuông góc của cạnh dựa trên độ dày vật liệu và thiết kế mối nối.

Tiêu chuẩn Châu Âu EN 1090 khác với tiêu chuẩn Bắc Mỹ ở chỗ chú trọng nhiều hơn vào việc đánh giá chất lượng quy trình cho các hoạt động cắt nhiệt thay vì chỉ tập trung vào tình trạng cạnh cuối cùng.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào các hệ thống điều khiển thích ứng thời gian thực cho các quy trình cắt có thể điều chỉnh các thông số dựa trên sự thay đổi của vật liệu để duy trì chất lượng cạnh đồng nhất bất kể sự biến động về tính chất cục bộ.

Các công nghệ mới nổi bao gồm các phương pháp cắt kết hợp giữa quy trình cơ học và nhiệt để tối ưu hóa cả năng suất và chất lượng cạnh, đặc biệt đối với thép có độ bền cao và thép có độ bền cực cao.

Những phát triển trong tương lai có thể bao gồm các mô hình dự đoán chất lượng cạnh do AI điều khiển dựa trên thành phần vật liệu và lịch sử xử lý, cho phép điều chỉnh chủ động các thông số cắt trước khi xảy ra các vấn đề về chất lượng.