Nghiên cứu tạo hình kim loại tấm bằng công nghệ biến dạng gia tăng đa điểm luận án tiến sĩ ngành kỹ thuật cơ khí

Trong đó, công nghệ biến dạng gia tăng cục bộ Incremental Sheet Forming - ISF tấm vật liệu là một trong những phương pháp tạo hình nhiều triển vọng góp phần giảm giá thành sản phẩm nhằm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

MA VĂN VIỆT

NGHIÊN CỨU TẠO HÌNH KIM LOẠI TẤM BẰNG CÔNG NGHỆ

BIẾN DẠNG GIA TĂNG ĐA ĐIỂM (TPIF – Two Point Incremental Forming)

S K A 0 0 00 5 5

Tp Hồ Chí Minh, tháng 3/2023

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS LÊ VĂN SỸ

Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Quốc Hưng

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Huy Bích

Phản biện 3: PGS.TS Lương Hồng Sâm

Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2023

i

ii

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: MA VĂN VIỆT Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 08/08/1979 Nơi sinh: Phú Yên

Quê quán: Phú Yên Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 479/8 Trương Công Định, phường 7, Tp Vũng Tàu, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0988650748

mavanviet2004@yahoo.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/

Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ 09/1998 đến 03/2003

Nơi học (trường, thành phố): Đại học Bách khoa tp Hồ Chí Minh

Ngành học: Cơ khí chế tạo máy

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế máy trộn bê tông hình quả trám

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: năm 2003 tại Đại học Bách khoa tp Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn: TS Trần Thị Hồng

3 Cao học:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ 09/2003 đến 09/2005

Nơi học (trường, thành phố): Đại học Bách khoa tp Hồ Chí Minh

iii

Ngành học: Cơ khí chế tạo máy

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: cân bằng động roto trục mềm Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: năm 2005 tại Đại học Bách khoa tp Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn: TS Nguyễn Tuấn Kiệt

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

2005-2006 Trường cao đẳng kinh tế kỹ thuật

2006-2008 Công ty PTSC M&C Cán bộ kỹ thuật

2008-2009 Trường cao nghề Dầu khí Việt Nam Giảng viên

2009-2011 PTSC Phu My Port Chuyên viên kỹ thuật

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 03 năm 2023

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Ma Văn Việt

v

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của PGS.TS Lê Văn Sỹ, PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh; quý thầy cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, Trường Đại học Dầu khí Việt Nam; Khoa Cơ khí Trường Đại học Sư phạm

Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa thành phố

Hồ Chí Minh; Phòng Thí nghiệm trọng điểm Điều khiển số và kỹ thuật hệ thống, Phòng Thí nghiệm Công nghệ thiết kế và gia công tiên tiến - Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh; Phòng Đào tạo sau Đại học - Đại học Sư Phạm Kỹ thuật thành phố

Hồ Chí Minh; sự động viên từ cơ quan, bạn bè và đồng nghiệp Đặc biệt, xin cảm ơn gia đình và người thân đã hỗ trợ và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận án Xin chân thành cảm ơn

vi

TÓM TẮT

Do áp lực của thị trường cạnh tranh cao, ngành công nghiệp được thúc đẩy để cạnh tranh hiệu quả bằng cách giảm thời gian và chi phí sản xuất trong khi phải đảm bảo sản phẩm và dịch vụ chất lượng cao Bên cạnh đó, các mục tiêu có trách nhiệm với môi trường cũng ảnh hưởng đến các quyết định đối với hệ thống sản xuất công nghiệp Hiện nay, khách hàng thường chấp nhận những thay đổi nhanh chóng về kiểu dáng sản phẩm và khối lượng sản xuất, điều này đòi hỏi phải xác định lại các kỹ thuật thiết kế và phát triển sản phẩm, cũng như những thay đổi trong quy trình sản xuất thông thường Công nghệ tạo hình gia tăng (ISF) đang được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm nghiên cứu do đáp ứng được các nhu cầu thời gian tạo hình thấp, chi phí đầu tư nhỏ và tính linh hoạt cao Nguyên lý cơ bản là sử dụng chuyển động của máy CNC với đầu dụng cụ tạo hình không cạnh cắt để biến dạng vật liệu tấm theo từng lớp cho đến khi hình dạng sản phẩm hoàn thành Trong đó, phương pháp tạo hình gia tăng đa điểm (TPIF) là một trong các phương pháp tạo hình của công nghệ tạo hình ISF để tạo hình gia tăng cục bộ tấm vật liệu Ưu điểm chính của phương pháp TPIF là tạo ra sản phẩm vừa có độ chính xác hình học cao, vừa đảm bảo chất lượng bề mặt Công nghệ này không cần sử dụng khuôn phức tạp, rất linh hoạt trong thay đổi mẫu mã và kích thước, chi phí thấp và hiệu quả kinh tế cao Phương pháp tạo hình TPIF rất phù hợp cho các loạt sản phẩm ở dạng vừa và đơn chiếc hoặc tạo hình nhanh sản phẩm thử nghiệm và tạo mẫu nhanh

Luận án này tập trung vào nghiên cứu khả năng tạo hình của tấm hợp kim nhôm A1050 H14 bằng công nghệ tạo hình TPIF Các tấm hợp kim nhôm được biến dạng bằng TPIF để xác định khả năng tạo hình lớn nhất thông qua góc tường 𝛼 đạt được Ảnh hưởng của thông số quá trình như bước tiến dụng cụ 𝑧, tốc độ trục chính

𝑛, vận tốc tiến dụng cụ 𝑉 , và đường kính dụng cụ 𝐷 đến khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt sản phẩm cũng được thực hiện Việc khảo sát này được thực hiện bằng cách áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm (DOE) trong việc xây dựng ma trận thực nghiệm theo mô hình bậc 2 khảo sát 4 thông số đầu vào để thấy được ảnh

vii

hưởng của thông số đến khả năng biến dạng của tấm hợp kim nhôm Qua đó rút được phương trình hồi quy mô tả ảnh hưởng của các thông số công nghệ (∆z, Vxy, D, n) đến khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt tạo hình

Luận án cũng tiến hành mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) quá trình tạo hình TPIF để dự đoán độ chính xác hình học, dự đoán phá hủy vật liệu và các ảnh hưởng của thông số công nghệ Vấn đề bôi trơn (chất bôi trơn và phương pháp bôi trơn) cũng được đầu tư chi tiết để xem xét ảnh hưởng của các dạng chất bôi chơn và các phương pháp bôi trơn khác nhau đến khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt sản phẩm Toàn bộ dụng cụ tạo hình và đồ gá, gối đỡ được thiết kế đặc biệt phục vụ tất

cả các thí nghiệm tạo hình bằng công nghệ TPIF Các kết quả được đo đạc và phân tích trình bày chi tiết trong luận án

viii

ABSTRACT

Due to the high pressures from a globally competitive market, the industry

is driven to compete effectively by reducing production time and costs while ensuring high quality products and services In addition, environmentally responsible goals also influence decisions for industrial production systems It is now common to accept rapid changes in product designs and development, which necessitate redefining product development and design techniques, as well as changes in conventional manufacturing processes Incremental forming technology (ISF) is being studied by many researchers around the world because it meets the needs of low forming time, small investment cost, and high flexibility The basic principle is

to use CNC movement with a non-cutting spiral end-forming tool head to deform the sheet material layer by layer until the final product shape In particular, Two Point Incremental Forming method (TPIF) is one of the forming methods of ISF technology for local incremental deformation of the metal sheet The main advantage of the TPIF method is that it produces products with both high geometrical accuracy and surface quality This technology does not need to use complex die/molds, is very flexible in changing product shape and sizes, low cost, and high economic efficiency The TPIF forming method is well suited for single and medium product batch and rapid prototyping process

This thesis focuses on studying the forming ability of aluminum alloy sheet A1050 H14 by TPIF technology The aluminum alloy sheets were deformed with TPIF to determine the maximum formability through the wall angle α achieved The influence of process parameters such as depth step 𝑧, spindle speed 𝑛, feedrate 𝑉 , and tool diameter 𝐷 on the formability and product surface quality is also investigated This champaign is carried out by applying the Design of Experiment method (DOE) in building an empirical matrix according to the quadratic model to investigate the 4 machining parameters to understand deeply the influence on the TPIF formability and the formed surface of the aluminum sheets Thereby, a

x

MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC ii

LỜI CAM ĐOAN iv

LỜI CẢM ƠN v

TÓM TẮT vi

ABSTRACT viii

MỤC LỤC x

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT xiii

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU xiv

DANH SÁCH CÁC HÌNH xv

DANH SÁCH CÁC BẢNG xix

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 8

1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu 8

1.1.1 Tổng quan và phân loại ISF 11

1.1.2 Tổng quan các nghiên cứu trong nước về công nghệ tạo hình ISF 16

1.1.3 Tổng quan nghiên cứu trên thế giới về công nghệ ISF 18

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 31

2.1 Lý thuyết biến dạng kim loại 31

2.2 Lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm 36

2.2.1 Tổng quan và phương pháp quy hoạch thực nghiệm 36

2.2.2 Xác định các yếu tố đầu vào 38

2.3 Mô phỏng phần tử hữu hạn trong ISF 38

2.3.1 Phương pháp tích phân tường minh (Explicit) 39

2.3.2 Ổn định của tích phân tường minh 40

2.3.3 Phương pháp tích phân ẩn (Implicit) 40

2.3.4 Ổn định của tích phân ẩn 41

xi

Chương 3 44

HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 44

3.1 Thiết bị và đồ gá cho ISF 44

3.1.1 Thiết bị thí nghiệm 44

3.1.2 Dụng cụ tạo hình 46

3.1.3 Đồ gá 47

3.2 Thiết kế đồ gá TPIF 48

3.3 Chất bôi trơn 49

3.4 Hình dạng chi tiết khảo sát 51

3.4.1 Đường dẫn dụng cụ 53

3.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng 56

3.4.3 Ma trận thực nghiệm 58

3.5 Đo độ sâu tạo hình trong quá trình TPIF 59

Chương 4 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TPIF 63

4.1 Mô phỏng quá trình tạo hình ISF 63

4.2 Phương pháp phần tử hữu hạn cho quá trình tạo hình ISF 66

4.3 Mô hình hóa 66

4.3.1 Dưỡng tạo hình 68

4.3.2 Chi tiết 69

4.3.3 Dụng cụ tạo hình 70

4.4 Điều kiện biên, tạo lưới 71

4.4.1 Tạo lưới 72

4.5 Thông số vật liệu trong Abaqus 73

4.6 Kết quả mô phỏng 76

Chương 5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 83

5.1 Vật liệu thực nghiệm 83

5.2 Khảo sát ảnh hưởng thông số công nghệ đến khả năng tạo hình 88

5.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng 88

5.2.2 Ma trận thực nghiệm 90

xii

5.3 Phân tích kết quả 92

5.3.1 Ảnh hưởng của các thông số công nghệ lên chất lượng sản phẩm 93

5.3.2 Khả năng biến dạng (α) 110

5.4 So sánh kết quả dự báo với kết quả thí nghiệm 116

5.4.1 Biên dạng 116

5.4.2 Khả năng biến dạng (góc biến dạng) 119

5.5 Kết luận 119

5.6 Kiến nghị 121

TÀI LIỆU THAM KHẢO 124

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 137

xiii

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT

ABAQUS Phần mềm của Dassault Systemes

A1050 H14 Mã hợp kim nhôm

ANOVA Analysis Of Variance

CAD Computer Aided Design

CAM Computer Aided Manufacture

CNC Computer numerical control

DCSELAB Digital Control and System Engineering laboratory DOE Design of Experiment

ĐHBK Đại học Bách khoa

FEM Finite Element Method

ISF Incremental sheet forming

NC Numerical control

PPPTHH Phương pháp phần tử hữu hạn

PTHQ Phương trình hồi quy

PTN Phòng thí nghiệm

QHTN Quy hoạch thực nghiệm

SPIF Single point incremental forming

TNT Quy hoạch thực nghiệm yếu tố toàn phần

TPIF Two point incremental forming

TRT Quy hoạch thực nghiệm yếu tố riêng phần

xiv

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU

αmax Góc tường sản phẩm, góc giới hạn tạo hình

∆z Bước tiến dụng cụ sau mỗi lớp tạo hình (mm)

t1 Chiều dày chi tiết sau khi biến dạng

to Chiều dày tấm phôi ban đầu

Vxy Tốc độ tiến dụng cụ trong mặt phẳng XY (mm/phút)

xv

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1 1 Phương pháp tạo hình không dùng khuôn [1] 9

Hình 1 2 Ứng dụng: a) Công nghiệp ô tô; b) công nghiệp hàng không [1] 10

Hình 1 3 Phân loại quá trình tạo hình ISF [4] 12

Hình 1 4 Sơ đồ tổng thể công nghệ tạo hình SPIF [9] 14

Hình 1 5 TPIF a) Trước gia công, b) Đang gia công [9] 15

Hình 1 6 Quá trình tạo hình TPIF [10] 15

Hình 1 7 Thiết bị gia nhiệt của Ambrogio [27] 20

Hình 1 8 Hệ thống gia nhiệt bằng dòng một chiều [2] 21

Hình 1 9 Thí nghiệm của Fan [15] 22

Hình 1 10 Hệ thống gia nhiệt bằng Laser và kết quả của Doflou [31] 22

Hình 1 11 Thiết bị gia nhiệt của L.Galdos [32] 23

Hình 2.1 Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo [50] 31

Hình 2.2 Giản đồ ứng suất biến dạng - [26] 32

Hình 2.3 Ứng suất tại một điểm bất kỳ [22] 32

Hình 2.4 Ứng suất khối so với đại lượng biến dạng [2] 35

Hình 2.5 Quy hoạch Box-Behnken ba nhân tố 37

Hình 3 1 Máy chuyên dùng ISF Của DCSELAB 46

Hình 3 2 Dụng cụ tạo hình 46

Hình 3 3 Kiểm tra biên dạng đầu dụng cụ 47

Hình 3 4 Hệ thống đồ gá: a) Mô hình CAD b) Bố trí thực tế trên bàn máy CNC 48

Hình 3 5 Các dạng chất bôi trơn sử dụng 50

Hình 3 6 Mô hình côn cong trong quá trình SPIF [2] 51

Hình 3 7 Biên dạng mô hình côn nón cụt 52

Hình 3 8 Mô hình côn bậc khảo sát khả năng tạo hình 52

xvi

Hình 3 9 Các kiểu đường chạy dao [4] 53

Hình 3 10 Đường chạy dao xoắn ốc (Helical) 54

Hình 3 11 a) Tạo hình theo đường Helical; b) Tạo hình theo đường Spiral 55

Hình 3 12 Tham số quá trình trong tạo hình ISF [4] 56

Hình 3 13 Thực nghiệm chạy mẫu 59

Hình 3 14 a)Thước Panme Mitutoyo; b) Thước đo cao độ Mitutoyo 60

Hình 3 15 a) Máy đo tọa độ CMM; b) Máy đo độ nhám Mitutoyo SJ 301 61

Hình 4 1 Mô hình thực và mô hình hóa của TPIF 67

Hình 4 2 Mô hình 3D trong Abaqus 68

Hình 4 3 Dưỡng tạo hình 68

Hình 4 4 Mô hình CAD 69

Hình 4 5 Kích thước của mô hình CAD 70

Hình 4 6 Đầu dụng cụ tạo hình 71

Hình 4 7 Mô hình lưới trong Abaqus 73

Hình 4 8 Ứng suất và biến dạng của vật liệu [22] 74

Hình 4 9 Ứng suất và biến dạng của tấm hợp kim nhôm A1050H14 [69] 75

Hình 4 10 Ứng suất khối và biến dạng của hợp kim nhôm A1050H14 [69] 76

Hình 4 11 Hình dạng sản phẩm được tạo hình TPIF 77

Hình 4 12 Vị trí tấm bị rách 78

Hình 4 13 Mặt cắt của tấm bị rách trường hợp 1 78

Hình 4 14 Cao độ vị trí tấm bị rách trường hợp 1 79

Hình 4 15 Hình dạng sản phẩm được biến dạng trong trường hợp 2 80

Hình 4 16 Vị trí tấm lưới biến dạng quá mức 80

Hình 4 17 Mặt cắt của chi tiết trường hợp 2 81

Hình 4 18 Cao độ vị trí tấm bị rách trong trường hợp 2 81

Hình 5 1 Máy phân tích thành phần hóa học 84

Hình 5 2 Kích thước mẫu theo tiêu chuẩn ISO 6361-2:2014 86

xvii

Hình 5 3 Mẫu thử kéo theo ISO 6361-2:2014 86

Hình 5 4 Thiết bị thử kéo nén mẫu 87

Hình 5 5 Mẫu sau khi kéo đứt 87

Hình 5 6 Ứng suất và biến dạng mẫu hợp kim nhôm A1050 H14 88

Hình 5 7 Chạy thực nghiệm mẫu 90

Hình 5 8 Đo giá trị cao độ vết rách 91

Hình 5 9 Các mẫu đạt được sau khi chạy thực nghiệm 93

Hình 5 10 Mô hình côn nón khảo sát chất lượng bề mặt chi tiết trong TPIF 94

Hình 5 11 Mô hình CAD TPIF khảo sát chất bôi trơn 94

Hình 5 12 Chất bôi trơn và phương pháp bôi trơn trong tạo hình TPIF 96

Hình 5 13 Sản phẩm tạo hình TPIF với 4 chất bôi trơn khác nhau 97

Hình 5 14 Sản phẩm tạo hình TPIF với 4 chất bôi trơn 98

Hình 5 15 Đo độ nhám mặt ngoài chi tiết 98

Hình 5 16 Biểu đồ độ nhám mặt ngoài 99

Hình 5 17 Sản phẩm bôi trơn bằng: a) than chì; (b) dầu bôi trơn 100

Hình 5 18 Đo tọa độ chi tiết bằng máy đo tọa độ 100

Hình 5 19 Tích hợp biên dạng CAD và thực nghiệm 101

Hình 5 20 Hình minh họa 3D và chi tiết 102

Hình 5 21 Máy SEM HITACHI S-4800 103

Hình 5 22 a) Biên dạng CAD; b) Phân bố độ dày chi tiết 106

Hình 5 23 Biểu đồ phần dư cho góc biến dạng 111

Hình 5 24 Biểu đồ Pareto ảnh hưởng của 4 thông số công nghệ 112

Hình 5 25 Mối liên hệ giữa các yếu tố chính và góc biến dạng 113

Hình 5 26 Đồ thị mối liên hệ giữa các yếu tố tương tác và góc biến dạng 114

Hình 5 27 Góc biến dạng lớn nhất từ bốn thông số công nghệ hợp lý 114

Hình 5 28 Biểu đồ đáp ứng bề mặt của khả năng biến dạng 115

Hình 5 29 Sản phẩm tạo hình bằng công nghệ TPIF 116

Hình 5 30 Kết quả thực tế và mô phỏng trường hợp 1 117

Hình 5 31 So sánh biên dạng CAD và biên dạng mô phỏng 117

xviii Hình 5 32 Kết quả thực tế và mô phỏng trường hợp 2 118Hình 5 33 So sánh biên dạng CAD và mô phỏng trường hợp 2 118

xix

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Tính ứng suất tại một điểm bất kỳ 33

Bảng 3.1 Chuyển đổi từ cao độ vết rách sang góc biến dạng 53

Bảng 3.2 Mức của các yếu tố đầu vào thí nghiệm 57

Bảng 3.3 Ma trận thực nghiệm 58

Bảng 4 1 Giá trị mô phỏng cho trường hợp 1 77

Bảng 4 2 Giá trị mô phỏng trường hợp 2 79

Bảng 5 1 Thông số kỹ thuật của máy 83

Bảng 5 2 Thành phần hóa học của nhôm tấm A1050 H14 84

Bảng 5 3 Thành phần hóa học của nhôm tấm A1050 H14 tiêu chuẩn BS EN 485-1 85

Bảng 5 4 Cơ tính nhôm tấm A1050 H14 85

Bảng 5 5 Mức của các yếu tố ảnh hưởng chính 89

Bảng 5 6 Ma trận thực nghiệm cho A1050 H14 dày 1,5 mm 91

Bảng 5 7 Thông số máy và chất bôi trơn 97

Bảng 5 8 Giá trị đo chiều dày 100

Bảng 5 9 Thông tin chất bôi trơn và tính chất vật lý 102

Bảng 5 10 Thông số máy SEM HITACHI S-4800 103

Bảng 5 11 Ma trận chất bôi trơn và phương pháp bôi trơn 104

Bảng 5 12 Thể hiện Chất bôi trơn, phương pháp bôi trơn và kết quả độ nhám và cấu trúc tế vi 108

Bảng 5 13 Phân tích ANOVA 110

Bảng 5 14 Tóm tắt mô hình phân tích 111

Bảng 5 15 Phần trăm ảnh hưởng của các thông số 111

Bảng 5 16 Bộ thông số công nghệ hợp lý 115

xx Bảng 5 17 Bảng so sánh kết quả dự đoán và thực nghiệm góc tạo hình nhôm tấm A1050 H14, dày 1,5 mm bằng công nghệ TPIF 119

1

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài (tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu)

Trong bối cảnh phát triển của ngành công nghệ chế tạo máy hiện nay, nhà sản xuất cần phải thay đổi cách thức, quy trình gia công biến dạng vật liệu tấm, đáp ứng nhu cầu thẩm mỹ ngày càng cao của khách hàng, đồng thời đảm bảo sự cạnh tranh hiệu quả Trong đó, công nghệ biến dạng gia tăng cục bộ (Incremental Sheet Forming

- ISF) tấm vật liệu là một trong những phương pháp tạo hình nhiều triển vọng góp phần giảm giá thành sản phẩm nhằm đem lại lợi ích kinh tế hợp lý Có thể khẳng định rằng, việc sản xuất các sản phẩm có số lượng ít, mẫu mã và kích thước đa dạng là yêu cầu cần thiết trong nhiều lĩnh vực: công nghiệp quốc phòng, hàng không vũ trụ, công nghệ tạo mẫu nhanh, công nghệ ô tô, y học, đồ dùng gia dụng vv Đây là một thách thức lớn đối với nhà nghiên cứu, nhà sản xuất, nhà hoạch định chính sách, nhằm đưa lại những ứng dụng công nghệ một cách tốt nhất Thực tế cho thấy, công nghệ tạo hình sản phẩm từ tấm kim loại truyền thống (vuốt, dập, dập sâu vv) mà có sử dụng khuôn không mấy phù hợp với sự thay đổi mẫu mã sản phẩm nhanh chóng và số lượng đơn chiếc của khách hàng Chính vì lý do này, các nhà chế tạo sản phẩm và các nhà nghiên cứu đang nỗ lực tìm ra một số giải pháp công nghệ tạo hình sản phẩm

từ tấm vật liệu mà không dùng khuôn và có thể đáp ứng tốt cho việc sản xuất các sản phẩm loạt nhỏ và vừa, mẫu mã thay đổi nhanh chóng, giá thành thấp, chất lượng sản phẩm đáp ứng được nhu cầu của khách hàng Đó chính là thế mạnh của công nghệ tạo hình gia tăng ISF, trong đó phương pháp tạo hình gia tăng đa điểm (Two points incrematal forming - TPIF) rất có ưu thế

Do tính ưu việt của phương pháp này là tiết kiệm thời gian, chi phí, phù hợp với nhu cầu cần thiết của nền công nghiệp thiết kế và chế tạo sản phẩm, khiến tác giả mạnh dạn chọn lựa đề tài “Nghiên Cứu Tạo Hình Kim Loại Tấm Bằng Công Nghệ Biến Dạng Gia Tăng Đa Điểm (TPIF)” Việc chọn lựa hướng nghiên cứu này, tác giả mong muốn nghiên cứu khả năng tạo hình tấm hợp kim nhôm A1050 H14, có độ dày

2

1,5 mm để tìm hiểu ảnh hưởng của các thông số tạo hình Đồng thời lựa chọn chất bôi trơn và phương pháp bôi trơn hợp lý nhằm khẳng định hiệu quả của công nghệ TPIF

2 Mục tiêu nghiên cứu

Luận án này tập trung nghiên cứu khả năng tạo hình tấm hợp kim nhôm A1050 H14, có độ dày 1,5 mm bằng công nghệ tạo hình gia tăng đa điểm (TPIF) ở nhiệt độ phòng Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt sản phẩm đạt được Với mục tiêu chung này, luận án triển khai các mục tiêu cụ thể theo các nội dung sau đây:

- Thiết kế và chế tạo dụng cụ tạo hình, đồ gá, gối đỡ chuyên dụng để thực hiện tất

cả các thí nghiệm với công nghệ tạo hình TPIF

- Xây dựng mô hình côn nón có đường sinh dạng bậc để có khả năng khảo sát các góc tường từ 65o đến 85o trong quá trình tạo hình TPIF nhằm tiết kiệm mẫu thí nghiệm và thực hiện khảo sát hiệu quả hơn

- Nghiên cứu tạo hình tấm hợp kim nhôm A1050 H14 có độ dày 1,5 mm bằng công nghệ biến dạng gia tăng đa điểm TPIF Khả năng tạo hình được đặc trưng bằng góc tường sản phẩm 𝛼 đạt được và khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ: bước tiến dụng cụ, tốc độ quay trục chính, tốc độ tiến dụng cụ và đường kính dụng cụ Qua đó, xây dựng phương trình hồi quy thể hiện mối liên hệ giữa thông số công nghệ và góc biến dạng

- Thực hiện mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) để dự đoán vết nứt xuất hiện trong quá trình tạo hình TPIF với các thông số công nghệ tương tự như thực nghiệm bằng phần mềm Abaqus

- Khảo sát ảnh hưởng của chất bôi trơn và phương pháp bôi trơn thích hợp để đạt được chất lượng bề mặt tốt nhất và khả năng biến dạng lớn nhất của công nghệ TPIF

3 Đối tượng nghiên cứu

3

Đối tượng nghiên cứu của luận án này là nghiên cứu khả năng tạo hình của công nghệ TPIF để tạo hình sản phẩm từ tấm hợp kim nhôm A1050 H14, có độ dày 1,5 mm qua 4 thông số công nghệ: tốc độ tiến dụng cụ 𝑉 (mm/phút), bước tiến dụng

cụ theo phương 𝑧 ∆z (mm), đường kính dụng cụ 𝐷 (mm) và tốc độ quay trục chính 𝑛 (vòng/phút) Khảo sát phương pháp bôi trơn và chất bôi trơn cho các loại chất bôi trơn khác nhau ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt sản phẩm và khả năng tạo hình

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Luận án được thực hiện để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể như sau:

Nhiệm vụ thứ nhất: thiết kế và chế tạo đồ gá tạo hình gia công biến dạng gia tăng đa điểm TPIF là nhiệm vụ quan trọng quyết định sự thành công của các thí nghiệm trong luận án này Đồ gá và gối đỡ được thiết kế và chọn lựa kết cấu đảm bảo các chuyển động chính của hệ thống Tấm vật liệu được kẹp chặt trên khung cứng, khung có khả chuyển động dọc trục 𝑧 cùng với chuyển động của dụng cụ tạo hình trong quá trình biến dạng TPIF Do đó, đồ gá, gối đỡ phải được tính toán thiết kế để đảm bảo hệ cứng vững, ổn định, chính xác và thuận tiện thao tác Đây là nhiệm vụ có

ý nghĩa quan trọng nhằm đem lại kết quả thí nghiệm chính xác

Nhiệm vụ thứ hai: mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn quá trình biến dạng TPIF cho tấm hợp kim nhôm và dự đoán khả năng phá hủy sản phẩm trong quá trình tạo hình Luận án sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), dự đoán vết nứt xuất hiện trên bề mặt kim loại tấm khi giới hạn tạo hình đã đạt đến bằng các

mô hình dự đoán có sẵn trong phần mềm Abaqus Dựa trên kết quả thực nghiệm, luận án đánh giá khả năng biến dạng (đến nứt, rách tấm) kim loại tấm dẻo và nghiên cứu các dạng phá hủy của tấm A1050 H14 trong quá trình tạo hình

Nhiệm vụ thứ ba: nghiên cứu chọn lựa các thông số công nghệ và ảnh hưởng của nó đến chất lượng bề mặt tạo hình và khả năng biến dạng của tấm hợp kim nhôm A1050 H14 Dựa trên phương pháp quy hoạch thực nghiệm (DOE), luận án xác định các thông số công nghệ ảnh hưởng đến yếu tố đáp ứng, mức độ ảnh hưởng, từ đó xây dựng phương trình hồi quy biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số công nghệ tạo

5 Phạm vi nghiên cứu

Luận án tập trung nghiên cứu công nghệ tạo hình đa điểm (TPIF) cho tấm kim loại ở nhiệt độ thường Vật liệu sử dụng để biến dạng là tấm hợp kim nhôm A1050 H14 dày 1,5 mm Thông số công nghệ tạo hình sử dụng trong quá trình bao gồm tốc

độ tiến dụng cụ Vxy =300, 900, 1500 (mm/phút), bước tiến dụng cụ theo phương z là

∆z = 0,1; 0,8; 1,5 (mm), đường kính dụng cụ D=6, 12, 18 (mm) và tốc độ quay trục chính n = 300, 1050, 1800 (vòng/phút) Dụng cụ tạo hình có đầu là bi được hàn cứng với thân hình trụ để giảm ma sát tiếp xúc, giảm độ mòn dụng cụ trong quá trình tạo hình

Luận án khảo sát phương pháp bôi trơn và chất bôi trơn sử dụng trong quá trình tạo hình Các chất bôi trơn sử dụng gồm dầu nhờn (Gear VG 150 EP), mỡ bôi trơn công nghiệp, bột than chì, hỗn hợp bôi trơn mỡ bôi trơn và than chì với tỉ lệ 1:1, dầu hướng dương

6 Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết tổng quan về công nghệ biến dạng gia tăng cục bộ và phân tích các nghiên cứu về TPIF trên thế giới và trong nước giúp tác giả xác định thực trạng nghiên cứu trước đó, hướng kế thừa và đóng góp của luận án Phương pháp phân tích lý thuyết về biến dạng tấm và lý thuyết SPIF đưa lại cho luận

án một cái nhìn tổng quan về khả năng biến dạng tấm

Với phương pháp thực nghiệm, luận án dùng phần mềm quy hoạch thực nghiệm Minitab (DOE) thiết kế thí nghiệm và phân tích ANOVA; phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ tác động lên khả năng biến dạng kim loại tấm

5

Quá trình đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ cho biết bản chất của những ảnh hưởng từ các thông số đó Các thông số công nghệ có thể ảnh hưởng độc lập hoặc ảnh hưởng tác động lẫn nhau quyết định đến đáp ứng của quá trình tạo hình Từ đó, ta có thể kiểm soát các thông số công nghệ nhằm tạo ra sản phẩm như mong đợi

Quá trình thực nghiệm quá trình TPIF gia công mẫu trên máy SPIF chuyên dùng của DCSELAB để kiểm chứng các kết quả mô phỏng số Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) sử dụng phần mềm ABAQUS nhằm dự đoán quá trình phá hủy vật liệu trong tạo hình TPIF Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với kết quả

từ thực nghiệm trong cùng một điều kiện về thông số công nghệ và chất bôi trơn để đánh giá kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Luận án được đầu tư kết hợp cả phân tích lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng phần tử hữu hạn cho quá trình tạo hình TPIF cho tấm hợp kim nhôm ở nhiệt độ phòng nhằm đưa lại các kết quả có ý nghĩa khoa học như sau đây:

- Hiểu rõ bản chất ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng tạo hình và chất lượng sản phẩm đạt được trong quá trình tạo hình TPIF Khả năng tạo hình

và chất lượng bề mặt của công nghệ TPIF ở nhiệt độ phòng đang là vấn đề quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu và nhà sản xuất sản phẩm Đặc biệt vấn đề bôi trơn

và phương pháp bôi trơn sử dụng trong công nghệ ISF còn chưa được nghiên cứu Chất bôi trơn và phương pháp sử dụng được rất nhiều quan tâm trong quá trình tạo hình tấm kim loại truyền thống Nhưng những kiến thức này áp dụng trong công nghệ TPIF thì cần có những nghiên cứu làm rõ vì bản chất và cơ chế biến dạng của công nghệ TPIF tương đối khác với các công nghệ truyền thống khác Chất lượng bề mặt sản phẩm và khả năng biến dạng bị ảnh hưởng rất lớn trong quá trình tạo hình truyền thống Vì vậy tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ, ảnh hưởng của chất bôi trơn và phương pháp bôi trơn sẽ

có nhiều giá trị khoa học và thực tiễn

Từ những giá trị nghiên cứu khoa học trên làm tiền đề đưa công nghệ TPIF ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp Luận án này cũng đưa đến các kết quả mà có khả năng áp dụng vào thực tiễn quá trình tạo hình ISF cho các sản phẩm công nghiệp như sau:

- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo đồ gá cho công nghệ TPIF, dụng cụ tạo hình, lần đầu tiên luận án phục vụ cho công tác thực nghiệm và là tài liệu tham khảo cho một số nhà nghiên cứu lĩnh vực tạo hình gia tăng đa điểm, cũng như ứng dụng công nghệ này vào một số lĩnh vực sản xuất chuyên biệt ở Việt Nam

- Luận án đã trình bày cách thiết lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ (∆𝑧, 𝑉 , 𝐷, 𝑛) với khả năng tạo hình TPIF cho tấm hợp kim nhôm A1050 H14, có

7

Luận án được trình bày trong 5 chương được xây dựng theo bố cục tuần tự trong quá trình thực hiện nhiệm vụ của luận án Đầu tiên, chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu, mục đích, nhiệm vụ, phạm vi, hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu; ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Tác giả tổng hợp các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước trong chương tổng quan Các lý thuyết biến dạng kim loại, quy hoạch thực nghiệm, phần tử hữu hạn trong ISF sẽ trình bày

ở chương Cơ sở lý thuyết Thiết bị và đồ gá, chất bôi trơn, hình dạng chi tiết khảo sát, thông số kỹ thuật thiết bị đo sử dụng trong quá trình thực nghiệm sẽ trình bày ở chương Hệ thống thí nghiệm Mô hình hóa, điều kiện biên, tạo lưới, thông số vật liệu trong Abaqus được trình bày ở chương Mô phỏng quá trình TPIF Vật liệu thí nghiệm, khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng tạo hình TPIF, phân tích kết quả được trình bày ở chương Kết quả nghiên cứu

8

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu

Công nghệ tạo hình vật liệu tấm (tấm kim loại và tấm polymer) không dùng khuôn (ISF incremental sheet forming) đã được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới rất quan tâm và bước đầu có những ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp Kết quả ban đầu này đã đưa lại nhiều triển vọng cho việc phát triển ngành công nghệ tạo hình không khuôn Ở nước ta, một số nhà nghiên cứu đang thực hiện các nghiên cứu

và sử dụng công nghệ tạo hình không khuôn và bước đầu thử nghiệm tạo hình một số ứng dụng điển hình Đối với công nghệ tạo hình truyền thống (dập, vuốt, chồn, ép ) công nghệ tạo hình vật liệu dạng tấm hiện được sử dụng rỗng rãi ở một số nước như: Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ và các nước Châu Âu Các công nghệ này rất phù hợp với sản phẩm loạt lớn vì số lượng sản phẩm trên chi phí đầu tư rất nhỏ, nên hiệu quả của các phương pháp này rất lớn Nguyên tắc cơ bản của các công nghệ truyền thống này vẫn dựa trên việc sử dụng chày và khuôn theo mẫu nhất định Cho dù, phương pháp này đã tạo ra một số sản phẩm có hình dạng chính xác cao, nhưng độ linh hoạt, đa dạng hình dạng mẫu mã sản phẩm còn hạn chế Công nghệ này chỉ áp dụng cho việc sản xuất số lượng lớn, thì chi phí sản xuất, giá thành sản phẩm mới có chỗ đứng trên thị trường Tuy nhiên, chi phí ban đầu cho việc tạo khuôn thường lớn và sự cập nhật mẫu mã chưa đáp ứng được nhu cầu thị hiếu của khách hàng Đối với những sản phẩm đơn chiếc hoặc số lượng vừa thì việc sử dụng phương pháp trên sẽ đẩy giá thành sản phẩm lên rất cao

Trong bối cảnh phát triển nhanh và sự cạnh tranh lớn hiện nay, đòi hỏi nhà sản xuất phải thay đổi công nghệ, giảm giá thành một cách thông minh nhằm đáp ứng nhu cầu thẩm mỹ ngày càng cao của khách hàng Trong đó, việc sản xuất các sản phẩm có số lượng ít, mẫu mã và kích thước đa dạng là một yêu cầu cấp thiết trong

9

nhiều lĩnh vực: quốc phòng, tên lửa, hàng không vũ trụ, tạo mẫu nhanh, ô tô, y học,

đồ dùng gia dụng Đây là một thách thức lớn đối với nhà sản xuất, nhà nghiên cứu, nhà hoạch định chính sách nhằm đưa lại những đường hướng phát triển công nghệ Muốn vậy, nhà nghiên cứu cần phải nỗ lực tìm ra một số phương pháp có thể đáp ứng tốt cho việc sản xuất các sản phẩm loạt nhỏ và vừa với giá thành thấp

Hình 1 1 Phương pháp tạo hình không dùng khuôn [1]

Năm 1967, Edward Leszak đã phát minh ra phương pháp tạo hình biến dạng cục bộ “Incremental Sheet Forming”- ISF [2] Phương pháp này sử dụng một dụng

cụ tạo hình đơn giản, biến dạng từ từ vật liệu kim loại dạng tấm để đạt được hình dạng của sản phẩm hoàn thiện Quá trình này dùng chuyển động của dụng cụ gắn trên máy CNC 3 trục để biến dạng cục bộ tấm kim loại được gắn trên một khung cứng (Hình 1.1-a) Quỹ đạo của đường chạy dao được xuất từ hình dạng của sản phẩm thông qua một phần mềm CAM (Hình 1.1–c) Tuy nhiên, phải đến những thập niên cuối của thế kỷ XX, khi công nghệ số phát triển và sự xuất hiện các máy gia công điều khiển số CNC, phương pháp ISF mới được một số viện nghiên cứu và trường đại học quan tâm [2] Từ đó, công nghệ tạo hình ISF được quan tâm nhiều hơn và ứng dụng rộng rãi trên thế giới Phát minh của Leszak đã mở đường cho những nhà nghiên cứu về tạo hình không khuôn cho vật liệu tấm tiếp tục kế thừa và phát triển hoàn chỉnh dựa trên nền tảng công nghệ số Phương pháp này mở ra rất nhiều hướng ứng dụng (Hình 1.2) trong công nghệ tạo hình vật liệu dạng tấm như:

- Công nghệ tên lửa, hàng không, vũ trụ

- Các tấm thân của thân ô tô, cửa, trần và bệ lái, tấm chắn nhiệt vv

- Tấm lắp ghép thân máy bay và các bộ phận khác

10

Hình 1 2 Ứng dụng: a) Công nghiệp ô tô; b) công nghiệp hàng không [1] Các sản phẩm trên thuộc nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau Một số chi tiết ứng dụng có số lượng nhỏ, nhưng các thông số kỹ thuật của sản phẩm phụ thuộc rất nhiều vào công năng chuyên biệt Vì vậy, phương pháp truyền thống sẽ không đáp ứng tối ưu hiệu quả vì chi phí sản xuất quá lớn, quy trình sản xuất chưa linh hoạt Vì

lí do ấy, việc ứng dụng phương pháp ISF và công nghệ kỹ thuật số sẽ góp phần rút ngắn giai đoạn thiết kế thử nghiệm, giảm chi phí và tiết kiệm thời gian sản xuất

Ngoài ra, robot công nghiệp cũng được sử dụng để tạo chuyển động cho quá trình biến dạng gia tăng ISF Việc sử dụng robot có khuyết điểm về độ cứng vững và lực tạo hình không đủ lớn khi biến dạng các tấm kim loại có khả năng biến dạng thấp

Ưu điểm chính là có thể loại bỏ hoàn toàn khuôn bằng cách kết hợp 2 robot cùng biến dạng tại cùng 1 điểm trên đường chạy dao

Công nghệ tạo hình gia tăng được phân loại thành nhiều phương pháp khác nhau, nhưng nhìn chung nguyên lý tạo hình đều giống nhau Tấm kim loại được gắn trên một khung cứng có sử dụng thêm các gối đỡ hoặc có thể tạo hình tự do Dụng cụ tạo hình có đầu dạng hình cầu không cạnh cắt được điều khiển bằng máy CNC để chạy theo đường dẫn tạo trước trong phần mềm CAM Đầu tiên, dụng cụ tạo hình được di chuyển đến điểm xuống dao và tiếp xúc với bề mặt tấm kim loại Dụng cụ tạo hình được điều khiển theo đường chạy dao theo hai dạng đường xoắn ốc hoặc hạ bậc theo biên dạng sản phẩm Quá trình này tiếp tục biến dạng từng lớp theo bước xuống dao định nghĩa trước trong chương trình CNC cho đến khi đạt được độ sâu mong muốn của sản phẩm Khi hoàn tất hình dạng sản phẩm, dụng cụ tạo hình tịnh

11

tiến lên và trở về vị trí tọa độ gốc của máy CNC Quá trình hoàn tất và sản phẩm được hoàn thiện theo yêu cầu

1.1.1 Tổng quan và phân loại ISF

Công nghệ tạo hình gia tăng được phân loại theo nhiều dạng khác nhau tùy vào mục đích hướng đến Cách phân loại phổ biến nhất dựa trên cơ chế biến dạng cục

bộ của tấm và đặc trưng sử dụng công nghệ

Dựa trên cơ chế biến dạng của tấm, công nghệ tạo hình gia tăng được phân thành 3 loại chính: cơ chế tiếp xúc đơn mặt, cơ chế tiếp xúc hai mặt và cơ chế kết hợp Cách phân loại này cũng rất dễ gây nhầm lẫn khi cơ chế tiếp xúc đơn mặt có sử dụng trụ đỡ hoặc sử dụng tấm nền gia cường Có rất nhiều ứng dụng sử dụng trụ đỡ

để tăng độ chính xác hình học và tồn tại vùng tiếp xúc hai mặt Tuy nhiên, cơ chế biến dạng này chủ yếu xảy ra ở dạng tiếp xúc đơn mặt Phần lớn tấm vật liệu bị biến dạng nằm trong vùng không tiếp xúc giữa tấm và trụ đỡ Do đó, các trụ đỡ đơn giản này không làm thay đổi đáng kể trạng thái ứng suất cục bộ trong vùng biến dạng Cho nên, phương pháp sử dụng trụ đỡ đơn giản hoặc tấm nền vẫn được phân loại vào trong nhóm cơ chế biến dạng tiếp xúc đơn mặt

Công nghệ tạo hình tiếp xúc đơn mặt (SSCIF) gồm có: phương pháp tiếp xúc đơn điểm, phương pháp tạo hình thủy cơ (sử dụng tia nước để biến dạng) Công nghệ này dựa trên cơ chế biến dạng cục bộ tấm xảy ra tại 1 điểm như trình bày trong Hình 1.4 Công nghệ tạo hình tiếp xúc hai mặt (DSCIF) gồm có: phương pháp tạo hình gia tăng hai điểm (TPIF), phương pháp tạo hình gia tăng kép (DSIF), phương pháp tạo hình gia tăng tích lũy hai mặt (ADSIF) Cơ chế chính của phương pháp này là tấm bị biến dạng do tiếp xúc ở cả hai mặt với dụng cụ tạo hình như trình bày trong Hình 1.5 Phương pháp tạo hình DSIF thay thế tấm đỡ bằng một dụng cụ tạo hình thứ 2 có cùng chuyển động với dụng cụ tạo hình thứ nhất và không cần khuôn gá hoặc các dụng cụ

hỗ trợ biến dạng khác Ngược lại, các phương pháp như tạo hình gia tăng hai điểm TPIF sử dụng các khuôn chuyên dụng đầy đủ hoặc từng phần đơn giản để hỗ trợ quá trình tạo hình sản phẩm

12

Phương pháp tạo hình gia tăng kết hợp sử dụng một số ưu việt từ các phương pháp dập, vuốt sâu kết hợp với một số quá trình để cải thiện khả năng biến dạng của tấm kim loại khó biến dạng như hợp kim magie, titan, inox vv Ngoài ra tồn tại một

số biến thể khác bao gồm việc sử dụng một phần hoặc toàn bộ khuôn rẻ tiền, sử dụng nhiều dụng cụ tạo hình, sử dụng khuôn đàn hồi và sử dụng các kỹ thuật đặc biệt hoặc công cụ phụ trợ để cải thiện khả năng tạo hình [3]

Hình 1 3 Phân loại quá trình tạo hình ISF [4]

Ngoài ra, công nghệ ISF còn có thể được phân loại theo mục đích và đặc trưng

sử dụng như: chiến lược tạo hình, phương pháp tạo hình, nhiệt độ tạo hình, thiết bị tạo hình và dụng cụ tạo hình (Hình 1.3) Đối với chiến lược tạo hình, công nghệ ISF được thực hiện bằng 2 chiến lược khác nhau: 1 giai đoạn hoặc nhiều giai đoạn Trong tạo hình một giai đoạn, phôi được kẹp chắc trong khung hơn giản và được biến dạng theo đường chạy dao lập trình trước theo từng lớp cho đến khi đạt hình dạng sau cùng của sản phẩm Sau khi hoàn thành 1 lớp biến dạng, dụng cụ tạo hình sẽ chuyển động dọc trục đi xuống để tạo độ sâu sản phẩm Trong quá trình tạo hình nhiều giai đoạn, các chi thiết được tạo hình trong các giai đoạn khác nhau tùy thuộc vào độ phức tạp của hình dạng sản phẩm

Theo các phương pháp tạo hình, công nghệ tạo hình ISF được phân loại thành phương pháp SPIF (tạo hình gia tăng âm), phương pháp TPIF (tạo hình gia tăng

Theo thiết bị tạo hình, công nghệ tạo hình ISF sử dụng các dạng máy như máy CNC truyền thống, cánh tay robot, hoặc máy thiết kế chuyên dụng cho công nghệ ISF Thiết bị tạo hình đóng một vai trò quan trọng đối với năng suất và độ chính xác của sản phẩm tạo hình từ công nghệ ISF Theo dụng cụ tạo hình được phân loại thành dụng cụ tạo hình có đầu biến dạng hình cầu, đầu con lăn, và đầu phẳng

Do trọng tâm của luận án này hướng đến phương pháp tạo hình tiếp xúc hai mặt, cụ thể là phương pháp tạo hình TPIF nên sẽ trình bày chủ yếu hai phương pháp điển hình là SPIF và TPIF Tổng hợp các hướng phân loại được tóm tắt trong Hình 1.4

Công nghệ tạo hình gia tăng đơn điểm (SPIF)

Xuất phát từ công nghệ tạo hình miết truyền thống và miết chảy, công nghệ tạo hình gia tăng đơn điểm (SPIF) được xem là công cụ tiên phong trong lĩnh vực tạo hình gia tăng ngày nay Emmens [5] đã tổng hợp tất cả các phát minh và nghiên cứu

về công nghệ tạo hình gia tăng trong thế kỷ 20 Công nghệ tạo hình SPIF được nghiên cứu đầu tiên vào năm 1978 do Mason thực hiện Để tạo hình một mô hình sản phẩm côn nón đơn giản thì công nghệ SPIF được mô tả trong Hình 1.4 Tuy nhiên, công nghệ này chưa đạt được độ chính xác hình học phù hợp do đó các cơ chế biến dạng không mong muốn xảy ra quá trình uốn tấm ngoài vùng tạo hình Chính vì lý do này, nhóm nghiên cứu sử dụng tấm đỡ có dạng rút gọn của sản phẩm để cải thiện độ chính xác hình học Ngoài ra, Jurisevic [6] và Shi [7] cũng sử dụng áp lực tia nước để biến dạng tấm mà không cần dụng cụ tạo hình Amino [8] sử dụng trụ đỡ tại các vị trí xác định để gia tăng độ cứng vững cho quá trình biến dạng và tăng độ chính xác hình học sản phẩm Tuy nhiên, khi sử dụng các tấm đỡ, trụ đỡ sẽ làm giảm bớt độ linh hoạt nhưng bù lại độ chính xác hình học được cải thiện sẽ làm công nghệ này trở nên hấp

14

dẫn hơn Ngoài ra, quá trình tạo hình SPIF có thể tận dụng bất cứ máy CNC 3 trục

mà có thể tìm được rất nhiều ở các xưởng cơ khí Do đó, công nghệ SPIF được quan tâm nghiên cứu chủ yếu trong vài thập kỷ vừa qua

Tạo hình gia tăng đơn điểm-SPIF là quá trình gia công kim loại tấm bằng cách

sử dụng một dụng cụ tạo hình, đầu bán cầu không lưỡi cắt trên một tấm kim loại được kẹp chặt, SPIF được mô tả trên Hình 1.4 Dụng cụ tạo hình có thể quay hoặc cố định

và di chuyển theo đường chạy dao được lập trình sẵn để biến dạng cục bộ vật liệu tấm từng lớp đến khi hoàn thiện sản phẩm Để giảm ma sát tiếp xúc giữa dụng cụ và tấm kim loại, chất bôi trơn sẽ được sử dụng Khả năng tạo hình của tấm kim loại trong SPIF được đánh giá thông qua góc biến dạng (α)–là góc nghiêng lớn nhất của vật liệu khi đo tại vị trí mà tại đó vật liệu trước khi bị rách

Hình 1 4 Sơ đồ tổng thể công nghệ tạo hình SPIF [9]

Công nghệ tạo hình đa điểm (TPIF)

Công nghệ tạo hình tiếp xúc hai mặt TPIF (Hình 1.5) sử dụng một phần khuôn (hoặc khuôn “mềm”) ở mặt đối diện với mặt tiếp xúc với dụng cụ tạo hình Việc sử dụng một phần khuôn sẽ cải thiện đáng kể khả năng biến dạng cục bộ của tấm và giảm khả năng uốn tấm tại những vị trí không mong muốn Quá trình tạo hình này vẫn sử dụng một máy phay CNC 3 trục truyền thống và lắp thêm bộ tạo hình TPIF Tuy nhiên, việc sử dụng thêm 1 phần khuôn sẽ làm giảm đáng kể tính ưu việt của công nghệ tạo hình gia tăng ISF: không chỉ tăng chi phí làm khuôn và tăng thời gian thiết kế và phát triển sản phẩm

15

Tạo hình gia tăng đa điểm – TPIF là quá trình gia công kim loại tấm, bằng cách sử dụng một dụng cụ đầu bán cầu không lưỡi cắt tiếp xúc trên một tấm kim loại được kẹp chặt vào khung trượt, phía dưới kim loại tấm có dưỡng cố định như (Hình 1.5) Quá trình tạo hình, dụng cụ được di chuyển theo quỹ đạo được lập trình sẵn làm biến dạng cục bộ vật liệu tấm từng lớp đến khi sản phẩm hoàn thiện

Hình 1 5 TPIF a) Trước gia công, b) Đang gia công [9]

Phương pháp này khác SPIF là cần phải dùng thêm dưỡng tạo phần lồi, phần lõm cố định và khung trượt Khung trượt sẽ di chuyển xuống theo đầu dụng cụ tạo hình còn dưỡng tạo phần lồi, phần lõm thì cố định trên bàn máy

TPIF được áp dụng cho việc biến dạng hai loại vật liệu cơ bản là loại vật liệu kim loại tấm dẻo dễ biến dạng như: hợp kim nhôm, thép … và loại vật liệu kim loại tấm khó biến dạng như: Inox, hợp kim Magie, Titan … Đối với vật liệu kim loại tấm dẻo dễ biến dạng thì gia công tấm vật liệu ở nhiệt độ thường Đối với kim loại tấm khó biến dạng, tính đàn hồi cao và rất dễ bị gãy đứt, thì gia công cho loại vật liệu này đòi hỏi phải gia nhiệt, làm tăng khả năng biến dạng của vật liệu Việc gia nhiệt nhất thiết phải dùng thiết bị và công nghệ gia nhiệt bằng nhiều phương pháp phù hợp với tính chất của vật liệu và ứng dụng công nghệ gia nhiệt thích hợp

Hình 1 6 Quá trình tạo hình TPIF [10]

16

Công nghệ tạo hình gia tăng đa điểm (TPIF) được phân thành 3 loại: sử dụng dưỡng tạo hình cố định toàn phần (Hình 1.6a,d), dưỡng tạo hình cố định bán phần (Hình 1.6c), sử dụng 2 dụng cụ tạo hình (Hình 1.6b) Trong luận án này chúng tôi sử dụng dưỡng tạo hình cố định bán phần do có nhiều ưu việt là không phải gia công biên dạng dưỡng tạo hình

Phân biệt khả năng tạo hình của công nghệ SPIF và TPIF

SPIF có kết cấu đồ gá đơn giản, không dùng dưỡng tạo hình, chi phí thấp Tuy nhiên, mặt hạn chế của phương pháp này là không thể tạo ra các chi tiết tấm vừa có vùng lõm vừa có vùng lồi TPIF phải dùng dưỡng tạo hình nên kết cấu đồ gá phức tạp, cần phải chuyển động hạ xuống, nâng lên cùng với đầu dụng cụ tạo hình Kết cấu

đồ gá phức tạp, giá thành cao nhưng phạm vi tạo hình rộng hơn, bao gồm tạo hình các chi tiết tấm vừa có vùng lõm vừa có vùng lồi TPIF có khả năng tạo ra hình dạng sản phẩm phức tạp, những biên dạng không đối xứng TPIF có khả năng tạo hình sản phẩm có độ chính xác hình học, kích thước và chất lượng bề mặt hơn SPIF

1.1.2 Tổng quan các nghiên cứu trong nước về công nghệ tạo hình ISF

Công nghệ SPIF đã được nghiên cứu và đạt được nhiều kết quả rất đáng ghi nhận Đó là thành tựu của các nhà khoa học và các cộng sự tại Đại học Bách Khoa

Hà Nội, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh; Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Quốc Gia trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh, Trường Đại học Tôn Đức Thắng Các nhà nghiên cứu tập trung các nghiên cứu chuyên sâu

để đưa công nghệ ISF đến các ứng dụng trong các ngành công nghiệp Nguyễn Thanh Nam [11] đã thực hiện nghiên cứu khả năng tạo hình của công nghệ SPIF cho vật liệu tấm hợp nhôm A1050 H14 Tác giả khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ bước tiến dụng cụ z, tốc độ dụng cụ Vxy, đường kính dụng cụ D, tốc độ quay trục chính n đến góc tạo hình 𝛼 Phạm Văn Trung [12] và Nguyễn Văn Năng [3] đã khảo sát khả năng biến dạng của tấm nhựa PVC và tấm composite bằng công nghệ tạo hình SPIF với cùng tham số công nghệ Phan Đình Tuấn [13] ứng dụng công nghệ tạo hình SPIF để sản xuất mô hình xe hơi Các nghiên cứu này đều thành công trong việc gia

17

công bằng SPIF với các thông số công nghệ được sử dụng như: bước tiến z, tốc độ chạy dụng cụ Vxy, đường kính dụng cụ D, số vòng quay trục chính n Biên dạng khảo sát là nón cụt với đường sinh cong, quỹ đạo hình xoắn ốc Áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số bằng phần mềm Abaqus, các tác giả đã kết luận rằng các thông số công nghệ đó có ảnh hưởng đến khả năng tạo hình và ảnh hưởng lớn nhất là ba thông số ∆z, Vxy và D Lê Khánh Điền [14] nghiên cứu lập phương trình hồi quy bốn thông số công nghệ (bước tiến dụng cụ (z), tốc độ dụng

cụ (Vxy), đường kính dụng cụ (D), tốc độ quay trục chính (n) với khả năng biến dạng

, lượng phục hồi, độ nhám bề mặt vật liệu tấm và năng suất tạo hình của vật liệu nhôm A1050 H14, thép SS330 và SUS304 bằng công nghệ biến dạng gia tăng đơn điểm Phạm Quốc Tuấn [15] thực hiện nghiên cứu về mô phỏng SPIF, nhận dạng đường cong giới hạn biến dạng khi đứt gãy trong biến dạng tấm gia tăng cục bộ

Lê Văn Sỹ [1] thực hiện đề tài nghiên cứu dự đoán khuyết tật trong biến dạng cục bộ liên tục (SPIF) bằng phương pháp mô phỏng số Tác giả đầu tư vào việc dự đoán các dạng khuyết tật xảy ra trong quá trình biến dạng tấm kim loại ở nhiệt độ cao Mô hình hóa quá trình tạo hình bằng việc xây dựng mô hình 3D phần tử hữu hạn

để nghiên cứu đặc tính biến dạng và dự đoán các khuyết tật xảy ra trong quá trình biến dạng, đồng thời giải thích cơ chế biến dạng vật liệu trong công nghệ SPIF

Võ Tuyển [16] và Bùi Anh Phi [17] thực hiện nghiên cứu công nghệ tạo hình SPIF ở nhiệt độ cao Tác giả thực hiện mô phỏng lượng phục hồi theo phương hướng kính của vật liệu Titan khi gia công bằng công nghệ SPIF ở nhiệt độ cao [16] Kết quả phân tích mô phỏng thông qua phương trình hồi quy cho kết quả là ảnh hưởng của đường kính dụng cụ lên lượng phục hồi theo phương hướng kính là lớn nhất, kế đến là vận tốc tiến dụng cụ và ảnh hưởng ít hơn cả là bước tiến dụng cụ cùng nhiệt độ; đường kính dụng cụ, bước tiến dụng cụ và vận tốc tiến dụng cụ tỉ lệ thuận, còn nhiệt độ tỉ lệ nghịch với lượng phục hồi theo phương hướng kính Từ phương trình hồi quy xác định lượng phục hồi theo phương hướng kính, giúp xác định lượng bù

1.1.3 Tổng quan nghiên cứu trên thế giới về công nghệ ISF

Công nghệ SPIF cho tấm kim loại dễ biến dạng

Franzen [18] thực hiện nghiên cứu của khảo sát biến dạng của tấm nhựa PVC bằng công nghệ SPIF ở nhiệt độ phòng Tác giả sử dụng quỹ đạo dụng cụ dạng đường xoắn ốc với bước xoắn 0,5 𝑚𝑚 trong quá trình tạo hình mô hình nón để phân tích ảnh hưởng đường kính dụng cụ (𝜙10 ÷ 𝜙15) mm và bề dày tấm (2÷3) mm đến góc tạo hình lớn nhất Dụng cụ tạo hình được di chuyển với tốc độ tiến dụng cụ 1500 mm/phút và được bôi trơn bằng dung dịch soap-emulsion Kết quả cho thấy cả hai thông số trên đều ảnh hưởng đến góc biến dạng Khi đường kính dụng cụ tăng thì góc biến dạng tăng và khi sử dụng tấm có bề dày tăng thì góc biến dạng giảm

Lê Văn Sỹ [2] thực hiện quá trình tạo hình SPIF cho tấm Polypropylen sử dụng các thông số ∆z (0,2÷1 mm), đường kính dụng cụ D (6÷12 mm), tốc độ tiến dụng cụ

Vxy (1000÷3000 mm/ phút) và tốc độ trục chính n (200÷700 vòng/phút) Kết quả cho thấy ảnh hưởng của bước tiến ∆z đến khả năng tạo hình là lớn nhất Đường kính dụng

cụ và tốc độ tiến dụng cụ Vxy cũng có ảnh hướng đáng kể đến khả năng tạo hình sản phẩm từ tấm PP Tuy nhiên, tốc độ trục chính có ảnh hưởng nhưng không đáng kể đến khả năng tạo hình Bước tiến ∆z và tốc độ Vxy tăng làm góc tạo hình giảm nhưng đường kính dụng cụ tăng thì biến dạng tăng