nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng biến dạng vật liệu kim loại tấm trong gia công bằng phương pháp tạo hình gia tăng (spif) ở nhiệt độ cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ BÙI ANH PHI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN KHẢ NĂNG BIẾN DẠNG VẬT LIỆU

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ BÙI ANH PHI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN KHẢ NĂNG BIẾN DẠNG VẬT LIỆU KIM LOẠI TẤM TRONG GIA CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP

TẠO HÌNH GIA TĂNG (SPIF) Ở NHIỆT ĐỘ CAO

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2015

S K C0 0 4 5 6 0

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2015

LUẬN VĂN THẠC SĨ BÙI ANH PHI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN KHẢ NĂNG BIẾN DẠNG VẬT LIỆU KIM LOẠI TẤM TRONG GIA CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TẠO

HÌNH GIA TĂNG (SPIF) Ở NHIỆT ĐỘ CAO

NGÀNH: KĨ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

Hướng dẫn khoa học:

TS.LÊ VĂN SỸ

ii

i

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 22/25, Đ.15, KP Nhị Đồng I, P Dĩ An, TX Dĩ

An, T Bình Dương

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

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

Ngành học: Cơ khí chế tạo máy

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo bộ phận bó lúa cho máy gặt xếp dãy

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: năm 2009 tại đại học Sư Phạm Kĩ Thuật Tp HCM

Người hướng dẫn: Th.S Trần Quốc Hùng

ii

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

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 03 năm 2015

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

iv

CẢM TẠ

Tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các cá nhân và tổ chức:

1 T.S Lê Văn Sỹ - cán bộ hướng dẫn, Trường Đại học Dầu Khí Việt Nam

2 PGS.TS Đặng Thiện Ngôn – Cán bộ phản biện, trường ĐH SPKT TP HCM

3 TS Nguyễn Huy Bích – Cán bộ phản biện, trường ĐH Nông Lâm TP.HCM

4 PGS.TS Nguyễn Thanh Nam – Giám đốc PTN Trọng Điểm Điều Khiển Số

Và Kĩ Thuật Hệ Thống, ĐH Quốc Gia HCM

5 Th.S Nguyễn Tấn Hùng, trưởng phòng đào tạo, trung tâm cơ khí chính xác, PTN trọng điểm điều khiển số và kĩ thuật hệ thống, ĐH quốc gia HCM

6 Bà Hứa Thị Huần, GĐ Cty TNHH KNN & MT CAXE, Tân Hòa, Đông Hòa,

Dĩ An, Bình Dương

7 Xưởng cơ khí Chiến Lược, Hoàng Hữu Nam, Q.9, tp HCM

8 Thầy Huỳnh Nguyễn Kossel, Trưởng khoa Điện tử máy tính, trường Cao đẳng nghề Số 7

9 Thầy Trần Trung Kiên, giảng viên khoa cơ khí, trường Cao đẳng Công Thương Tp HCM

cùng quý thầy cô trong hội đồng phản biện, quý thầy cô trường ĐH Sư Phạm Kĩ Thuật Tp.HCM, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã ủng hộ và tạo điều kiện tốt để tôi hoàn thành luận văn này!

v

TÓM TẮT

Đề tài “Nghiên cứu các thông số công nghệ ảnh hưởng đến biến dạng vật liệu kim loại tấm trong gia công bằng phương pháp tạo hình gia tăng (SPIF) ở nhiệt độ cao” đề cập đến phương pháp gia công công mới, linh hoạt, giá thành thấp trong chế tạo mẫu hoặc sản xuất đơn chiếc vật liệu tấm Đó là quá trình gia công bằng cách miết một dụng cụ đầu tròn không lưỡi cắt đầu bán cầu trên một tấm kim loại được kẹp chặt Khả năng tạo hình của tấm được đánh giá qua góc biến dạng lớn nhất αmax(0) mà ở đó vật liệu không bị rách.Nghiên cứu được thực hiện trường Đại học Bách khoa Tp.HCM từ cuối năm 2014 đến đầu năm 2015.Đề tài gồm hai phần chính là thực nghiệm và mô phỏng số

Quá trình thực nghiệm được thực hiện trên máy điều khiển số ba trục SPIF tại xưởng C1 cho vật liệu tấm SUS 304 ở nhiệt độ cao.Tấm vật liệu được gia nhiệt bằng lò điện trở với nhiệt độ đạt được rất cao phù hợp với hầu hết các vật liệu kim loại và thực tế sản xuất Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi được sử dụng để phân tích ảnh hưởng của năm thông số công nghệ ở hai mức (nhiệt độ chi tiết T (0C) (100 ÷ 400), bước tiến theo phương z của dụng cụ ∆z (mm) (0,2 ÷ 0,5), tốc độ chạy dụng cụ Vxy (mm/phút) (500 ÷ 1500), đường kính dụng cụ D (mm)(6 ÷ 12) và tốc độ trục chính n (vòng/phút) (500 ÷ 1000)) đến góc tạo hình và xây dựng phương trình hồi quy dự đoán α Thí nghiệm sử dụng quỹ đạo dụng cụ là đường xoắn ốc với bước tiến ∆z bằng với bước xoắn, trên mẫu là hình nón cụt với đường sinh cong có α thay đổi liên tục theo chiều sâu z Kết quả cho thấy hai thông số ảnh hưởng đáng kể đến α là Vxy và T Ảnh hưởng của tốc độ trục chính là không đáng kể.Góc biến dạng αmax được dự đoán là 77,50

Đề tài còn sử dụng mô phỏng FEM để dự đoán vết nứt xuất hiện bằng phần mềm Abaqus Tuy mô hình FEM có hai trục đối xứng nhưng quá trình SPIF là bất đối xứng nên tiến hành khảo sát trên toàn bộ mô hình Kiểu phần tử được sử dụng là phần tử vỏ bốn nút S4RT.Kết quả là mô phỏng có thể dự đoán được vết nứt nhưng

độ chính xác về hình dạng hình học thấp

vi

ABSTRACT

This thesis: Influences of processing parameters for forming sheet metal by using single point incremental forming (SPIF) process at elevated temperature”SPIF process is new method, flexibility, low cost in prototype or small batch prduction for sheet materials which used the non-cutting, sphere-end tool forced a clamped sheet metal The formabilityis considered by maximum wall angle αmax (0) of cone

so that the material is not torn The research is implemented at Ho Chi Minh City University of Technology from the end of 2014 to early 2015 Practical experiments and FEM simulation are two main contents of this study

Experiment is performed on three axis CNC machine SPIF at C1 workshop for SUS 304 sheet at high temperature The temperature of sheet is supply by resistance furnace that has high temperature, suitable for most of metal and manufacture The Taguchi method is use to analys the effect of five technological parameters at two level (part temperature T (0C) (100 ÷ 400), step down ∆z (mm) (0,2 ÷ 0,5), feed rate Vxy (mm/phút) (500 ÷ 1500), tool diameter D (mm) (6 ÷ 12) vand spindle speed n (vòng/phút) (500 ÷ 1000)) to forming angle and build the regression equation for α The tool path is helical path which ∆z is the step of it The model is the cone-shape with profile is the cycle so that α continuously increase The result indicates that the effect of Vxy and T are larger than others and

of spindle speed is slight Maximum forming angle is predicted is 77,50

FEM simulation is use to predict mechanical failure in SPIF The FEM model has two symmetric axis but SPIF process is asymmetric So, simulation used full cone shape Element type is shell element S4RT The result of simulation can predict the torn but geometry accuracy is low

vii

MỤC LỤC

Chương 1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1

1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu 1

1.2 Giới thiệu về công nghệ tạo hình gia tăng (Incremental Sheet Forming - ISF) 3

1.2.1 Mô tả 3

1.2.2 Các bước trong quy trình gia công bằng phương pháp ISF 4

1.2.3 Phân loại ISF 5

1.2.3.1 SPIF 5

1.2.3.2 TPIF 6

1.2.4 Phân biệt khả năng của SPIF và TPIF 7

1.2.5 Khả năng biến dạng của SPIF và góc biến dạng 7

1.2.6 Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng khả năng tạo hình SPIF 8

1.2.7 Công nghệ SPIF ở nhiệt độ cao 8

1.3 Tóm tắt các kết quả nghiên cứu 9

1.3.1 Nghiên cứu ngoài nước 10

1.3.1.1 Ở nhiệt độ thường 10

1.3.1.2 Ở nhiệt độ cao 11

1.3.2 Nghiên cứu trong nước 16

1.4 Mục đích của đề tài 18

1.5 Đối tượng, nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu 19

1.5.1 Đối tượng 19

1.5.2 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu 19

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 19

viii

1.7 Phương pháp nghiên cứu 19

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20

2.1 Lý thuyết biến dạng 20

2.1.1 Đặc tính vật liệu tấm [19] 20

2.1.2 Các loại biến dạng vật liệu tấm 21

2.1.2.1 Biến dạng đàn hồi 22

2.1.2.2 Biến dạng dẻo 22

2.1.2.3 Phá hủy 22

2.1.3 Cơ chế biến dạng dẻo 22

2.1.3.1 Trượt và cơ chế biến dạng trượt 22

2.1.3.2 Song tinh 24

2.1.3.3 Biến dạng dẻo trong đa tinh thể 24

2.1.4 Biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao 25

2.1.4.1 Hiệu ứng nhiệt khi biến dạng dẻo 26

2.1.4.2 Hồi phục 26

2.1.4.3 Kết tinh lại 26

2.1.5 Các phương pháp gia công áp lực tấm 27

2.1.5.1 Phân loại dựa trên nhiệt độ kết tinh lại 27

2.1.5.1.1 Gia công nguội 27

2.1.5.1.2 Gia công không hoàn toàn nguội 27

2.1.5.1.3 Gia công nóng 28

2.1.5.1.4 Gia công nửa nóng 28

2.1.5.2 Phân loại dựa trên đặc điểm quá trình dập tấm 28

ix

2.1.5.2.1 Biến dạng cắt vật liệu 28

2.1.5.2.2 Biến dạng dẻo vật liệu 29

2.1.5.2.3 Dập liên hợp 29

2.2 Ma sát và bôi trơn 29

2.2.1 Ma sát và ảnh hưởng của ma sát 29

2.2.2 Bôi trơn và ảnh hưởng của bôi trơn đến ma sát 30

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực ma sát tiếp xúc 31

2.3 Lí thuyết truyền nhiệt 32

2.3.1 Truyền nhiệt 32

2.3.1.1 Phương pháp nghiên cứu truyền nhiệt 32

2.3.1.2 Tính chất chung của quá trình truyền nhiệt 32

2.3.1.3 Các phương thức truyền nhiệt 32

2.3.2 Bức xạ nhiệt 33

2.4 Lý thuyết về quy hoạch và xử lí số liệu thực nghiệm Taguchi 34

2.4.1 Sơ lược phương pháp Taguchi 34

2.4.2 Xác định các yếu tố đầu vào [26] 36

2.4.2.1 Thông tin tiên nghiệm 36

2.4.2.2 Kết quả nghiên cứu lý thuyết 36

2.4.2.3 Ý kiến chuyên gia 37

2.4.2.4 Các thực nghiệm thăm dò, thực nghiệm sàng lọc 37

2.4.2.5 Phương pháp chuyên gia 37

2.4.2.6 Các thực nghiệm sàng lọc theo phương án bão hòa 37

2.4.2.7 Nhóm các yếu tố vào và chọn mục tiêu đánh giá 38

x

2.4.3 Thiết kế và tiến hành thí nghiệm 38

2.4.4 Phân tích kết quả 38

2.5 Lý thuyết phần tử hữu hạn (PTHH) 40

2.5.2 Phương pháp tích phân tường minh (Explicit) 40

2.5.3 Ổn định của tích phân tường minh 41

2.5.4 Phương pháp tích phân ẩn (Implicit) 42

2.5.5 Ổn định của tích phân ẩn 42

Chương 3 ĐỒ GÁ VÀ HỆ THỐNG GIA NHIỆT 44

3.1 Cấu tạo đồ gá 44

3.2 Hệ thống gia nhiệt 45

3.2.1 Bộ phận đốt nóng 45

3.2.2 Bộ phận cách nhiệt 46

3.2.3 Bộ phận điều khiển 46

3.2.3.1 Yêu cầu điều khiển 46

3.2.3.2 Sơ đồ mạch điện 47

3.2.3.3 Mô tả hoạt động 47

3.2.3.4 Cài đặt các giá trị cho TZN4S 48

3.2.3.5 Trình tự vận hành 49

3.2.4 Xác định quan hệ giữa nhiệt độ lò và nhiệt độ chi tiết bằng thực nghiệm 51

3.2.4.1 Chuẩn bị thí nghiệm 51

3.2.4.2 Tiến hành thí nghiệm 51

3.2.4.3 Kết quả 51

xi

3.2.5 Quan hệ nhiệt độ - thời gian 53

Chương 4 THỰC NGHIỆM 55

4.1 Vật liệu thí nghiệm 55

4.1.1 Thành phần hóa học 55

4.1.2 Biểu đồ ứng suất biến dạng 55

4.1.3 Tính chất cơ nhiệt 56

4.2 Hình dạng chi tiết khảo sát 57

4.3 Đường chạy dao 57

4.4 Chương trình NC 58

4.5 Máy công cụ 59

4.6 Dụng cụ tạo hình 60

4.7 Bôi trơn 60

4.8 Thiết kế thí nghiệm 61

4.8.1 Các yếu tố ảnh hưởng 61

4.8.2 Ma trận thực nghiệm 62

4.9 Tiến hành thí nghiệm 62

4.10 Kết quả và thảo luận 63

4.10.1 Đặc điểm chi tiết sau khi gia công 63

4.10.2 So sánh biên dạng đường sinh giữa thực nghiệm và CAD 66

4.10.3 Số liệu thu thập được 67

4.10.4 Phân tích 68

Chương 5 MÔ PHỎNG 73

5.1 Mục đích 73

5.2 Hình dạng chi tiết khảo sát 73

5.3 Mô hình thực và mô hình toán 73

xii

5.4 Kiểu phần tử 74

5.5 Thông số vật liệu trong Abaqus 75

5.6 Điều kiện biên 76

5.6.1 Của tấm đế 76

5.6.2 Của chi tiết 76

5.6.3 Của dụng cụ 76

5.7 Kết quả 77

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 80

6.1 Kết luận 80

6.2 Khuyến nghị 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

xiii

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT

xiv

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Một số chi tiết dạng kim loại tấm trên ô tô 1

Hình 1.2 Trình tự vuốt chi tiết dạng côn [1] 2

Hình 1.3 Cấu tạo loại khuôn cho một thao tác vuốt [1] 3

Hình 1.4 Nguyên lí ISF [2] 4

Hình 1.5 Quy trình ISF 4

Hình 1.6 SPIF 6

Hình 1.7 TPIF a)Trước gia công, b) Đang gia công 6

Hình 1.8 Biên dạng chi tiết khảo sát [3] 7

Hình 1.9 Thiết bị gia nhiệt của Ambrogio a)Mô hình CAD b)Mô hình thực 12

Hình 1.10 Nghiên cứu của David Adams 13

Hình 1.11 Hệ thống gia nhiệt bằng dòng một chiều 13

Hình 1.12 Thí nghiệm của Fan 14

Hình 1.13 Gia nhiệt bằng Lazer của Doflou 14

Hình 1.14 Kết quả nghiên cứu của Doflou 15

Hình 1.15 Thiết bị gia nhiệt của L.Galdos a) Mô hình CAD b) Mô hình thực tế 15

Hình 1.16 Một số sản phẩm A1050-H14 gia công bằng thông số tối ưu [16] 16

Hình 1.17 Thực nghiệm SPIF đối với PVC a) Bố trí thí nghiệm b) Kết quả 17

Hình 1.18 Ứng dụng ISF vào thực tế a) Mô hình CAD b) Sản phẩm 17

Hình 1.19 Biểu đồ giới hạn tạo hình của composite nền PP sợi thủy tinh E 18

Hình 2.1 Quan hệ tải trọng và biến dạng 21

Hình 2.2 Trượt giữa các mặt tinh thể 23

Hình 2.3 Độ bền trong hạt (2) và phân giới hạt (1) 25

Hình 2.4 Quan hệ ứng suất và nhiệt độ của kim loại 25

Hình 2.5 Các phương pháp dập tấm 29

Hình 2.6 Tiếp xúc giữa dụng cụ và chi tiết [22] 30

Hình 2.7 Quan hệ hệ số ma sát và nhiệt độ của thép 0,5÷0,8%C 31

Hình 3.1 Ví dụ về hình dạng chi tiết và hình dạng đế 44

xv

Hình 3.2 Chi tiết đồ gá 44

Hình 3.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ 46

Hình 3.4 Sơ đồ mạch điện hệ thống gia nhiệt 47

Hình 3.5 Hai loại đáp ứng PID a) PIDS b) PIDF 49

Hình 3.6 Tủ điện điều khiển 50

Hình 3.7 Đo nhiệt độ chi tiết tương ứng nhiệt độ lò 51

Hình 3.8 Đồ thị quan hệ nhiệt độ lò và nhiệt độ chi tiết 52

Hình 3.9 Quan hệ nhiệt độ thời gian của lò 53

Hình 4.1 Biểu đồ ứng suất biến dạng theo nhiệt độ của SUS 304 [32] 56

Hình 4.2 Kích thước của mô hình CAD 57

Hình 4.3 Hai loại đường chạy dao a) Đường bậc thang b) Đường xoắn ốc 57

Hình 4.4 Đường chạy dao của Creo 2.0 58

Hình 4.5 Đường chạy dao thực nghiệm a) Đường bậc thang b) Đường xoắn ốc 59 Hình 4.6 Máy chuyên dùng ISF a) Của DCSELAB b) Của công ty AMINO 59

Hình 4.7 Dụng cụ tạo hình 60

Hình 4.8 Mẫu thử khi bôi trơn bằng mỡ chịu nhiệt 60

Hình 4.9 Hệ thống công nghệ phục vụ cho thực nghiệm 61

Hình 4.10 Chạy thí nghiệm mẫu 63

Hình 4.11 Đo giá trị Z M1 bằng thước đo cao 63

Hình 4.12 Hình dạng vết nứt a)Ti-6Al-4V [22] b) AZ31 [2] 64

Hình 4.13 Vùng tiếp xúc giữa dụng cụ và chi tiết a)Vxy = 500 b)Vxy=1500 64

Hình 4.14 Dụng cụ tạo hình của V.Fanzen 65

Hình 4.15 Đo biên dạng thực bằng thước đo cao và đồng hồ so 67

Hình 4.16 Biểu đồ so sánh biên dạng CAD với biên dạng thực của một số mẫu 67

Hình 4.17 Ảnh hưởng của từng thông số đến góc α theo tỉ số S/N 69

Hình 4.18 Ảnh hưởng của cặp tương tác ∆z-D 69

Hình 4.19 Biểu đồ Pareto cho ảnh hưởng đến góc biến dạng 70

Hình 4.20 Đồ thị quan hệ giá trị thực và dự đoán của α 71

Hình 4.21 Biểu đồ Ramps 72

xvi

Hình 5.1 Mô hình thực của SPIF 74

Hình 5.2 Mô hình toán của SPIF 74

Hình 5.3 Mô hình phân tích trong Abaqus 75

Hình 5.4 Biến dạng khi không định nghĩa vùng biến dạng dẻo 75

Hình 5.5 Biến dạng đạt được khi mô phỏng bằng thông số tối ưu 77

Hình 5.6 Vết lồi trên mẫu thực và trên FEM 78

Hình 5.7 Vùng lưới bị biến dạng 78

Hình 5.8 So sánh biên dạng CAD, FEM và thực nghiệm 79

xvii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2-1 Bảng lựa chọn số thí nghiệm theo phương pháp Taguchi 35

Bảng 2-2 Bảng ma trận L8 35

Bảng 3-1 Thông số dây nung Cr-Ni 45

Bảng 3-2 Thông số gạch Isolite B5 46

Bảng 3-3 Thông số cài đặt cho TZN4S 49

Bảng 3-4 Thông số PID thu được sau khi tự điều chỉnh 49

Bảng 3-5 Trình tự vận hành hệ thống gia nhiệt 50

Bảng 3-6 Giá trị nhiệt độ chi tiết ứng với nhiệt độ lò 51

Bảng 3-7 Giá trị nhiệt độ lò suy ra từ nhiệt độ chi tiết 52

Bảng 3-8 Giá trị nhiệt độ lò dùng để cài đặt khi không có chất bôi trơn 52

Bảng 3-9 Giá trị nhiệt đồ lò để cài đặt khi có phủ lớp than chì bôi trơn 53

Bảng 4-1 Thành phần hợp kim của SUS 304 55

Bảng 4-2 Thuộc tính của SUS 304 theo hệ SI (mm) 56

Bảng 4-3 Mức của các yếu tố 61

Bảng 4-4 Ma trận thực nghiệm 62

Bảng 4-5 Các mẫu đạt được sau khi chạy thực nghiệm 65

Bảng 4-6 Giá trị α ứng với z 0 = 70mm, R = 80 mm 68

Bảng 4-7 Góc biến dạng tương ứng với các mức của các yếu tố 68

Bảng 4-8 Phân tích ANOVA 70

Bảng 4-9 Phần trăm ảnh hưởng của các thông số đến góc biến dạng 71

Bảng 4-10 Bộ thông số công nghệ tối ưu 72

Bảng 5-1 Ứng suất biến dạng trong vùng dẻo theo nhiệt độ của SUS 304 75

Bảng 5-2 Giá trị bước thời gian ứng với V xy 77

1

Chương 1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu

Tạo hình kim loại tấm là quá trình gia công chủ yếu trong nhiều lĩnh vực dân dụng và công nghiệp Các chi tiết dạng tấm thường dễ dàng được bắt gặp xung quanh ta từ các vật dụng nội thất và gia dụng cho đến các loại máy móc thiết bị trong công nghiệp Đặc biệt, trong công nghiệp ô tô, nó được dùng nhiều hơn cả (Hình 1.1)

Hình 1.1.Một số chi tiết dạng kim loại tấm trên ô tô

Những thập niên gần đây, thế giới đã chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, công nghệ thông tin –truyền thông làm thay đổi nhiều mặt của nền kinh thế xã hội.Ý thức của con người nói chung và ý thức tiêu dùng nói riêng ngày càng được nâng cao Do đó, nhu cầu về các sản phẩm cũng ngày càng khắc khe và đa dạng hơn Chiến lược phát triển của các nhà sản xuất cũng tập trung vào việc thường xuyên cải tiến sản phẩm, thay đổi mẫu mã, phát triển sản phẩm mới

2

trong thời gian nhanh nhất với chi phí thấp nhất.Để làm được việc đó nhà sản xuất phải rút ngắn thời gian trong hai khâu quan trọng là thiết kế và chế tạo mẫu thử nghiệm

Sự phát triển của các hệ thống thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (CAD) cho phép rút ngắn thời gian thiết kế một cách đáng kể và có khả năng thiết kế được các chi tiết dạng tấm có hình dạng phức tạp

Các phương pháp gia côngkim loại tấmtruyền thống: uốn, dập vuốt, tạo hình nổi, nong, tóp, miết… (gọi chung là dập)thì cần phải có khuôn (chày hoặc cối, hoặc

cả chày và cối) và các loại máy chuyên dùng Mỗi chi tiết có thể trải qua một hoặc nhiều thao tác dập mới hình thành được hình dạng của sản phẩm Số thao tác được căn cứ vào một hệ số (gọi là hệ số vuốt) phụ thuộc vào tính chất vật liệu, độ dày, điều kiện thực hiện thao tác như bề mặt khuôn, bôi trơn, tốc độ vuốt [1]

Hình 1.2.Trình tự vuốt chi tiết dạng côn [1]

Điều này đồng nghĩa với việc sẽ có một hoặc nhiều khuôn cho một sản phẩm dập (Hình 1.2).Cho nên, phương pháp dập tốn kém (Hình 1.3) và mất nhiều thời gian nếu áp dụng cho việc chế tạo mẫu.Dập chỉ được áp dụng trong sản xuất hàng loạt và hàng khối vì chỉ có gia công với số lượng lớn mới giảm được giá thành sản

3

phẩm Mặt khác, với những tấm làm bằng các hợp kim độ cứng cao (hợp kim nhôm, hợp kim titan, hợp kim magiê,…) thì dập hầu như không làm được

Hình 1.3 Cấu tạo loại khuôn cho một thao tác vuốt[1]

1.2 Giới thiệu về công nghệ tạo hình gia tăng (Incremental Sheet Forming - ISF)

1.2.1 Mô tả

ISFlà kỹ thuật tạo hình không khuôn cho vật liệu tấm ISF sử dụng một dụng

cụ đầu tròn chạy theo một quỹ đạo xác định được điều khiển bằng chương trình số làm biến dạng tấm kim loại được kẹp chặt trên bàn máy hoặc đồ gá để tạo ra hình dáng sản phẩm mong muốn.Vật liệu tấm có thể là kim loại hoặc polymer Dụng cụ được gắn trên máy điều khiển số, có thể là máy ISF chuyên dùng hoặc máy CNC ba trục hoặc cánh tay robot Từng lớp vật liệutheo phương ngang sẽ biến dạng dẻo cục

bộ liên tục trong suốt quá trình gia công để hình thành nên hình dạng cuối cùng của sản phẩm [2] Bề dày của mỗi lớp phụ thuộc vào bước tiến theo phương thẳng đứng

∆z của quỹ đạo dụng cụ Các bước trong quy trình ISF được mô tả trong (Hình 1.4): 1)Phôi được kẹp chặt trên đồ gá 2)Dụng cụ đi xuống và tiếp xúc với phôi 3)Dụng

cụ chuyển động theo quỹ đạo để tạo hình lớp đầu tiên 4)Dụng cụ lặp lại chuyển động để tạo hình các lớp tiếp theo cho đến hết quỹ đạo

4

Hình 1.4 Nguyên lí ISF [2]

Với kỹ thuật này, một chi tiết kim loại tấm chỉ được gia công trong thời gian ngắn từ mô hình CAD mà không cần qua các công đoạn làm khuôn và sửa khuôn vốn phức tạp và đắt tiền (Hình 1.3)

1.2.2 Các bước trong quy trình gia công bằng phương pháp ISF

Hình 1.5 Quy trình ISF

Mô hình

3D - CAD

Tạo quỹ đạo dụng cụ và xác lập thông số công nghệ- CAM

5

Quy trình ISF được mô tả như(Hình 1.5).Mô hình 3D của sản phẩm kim loại tấm được thiết kế trên các phần mềm CAD (AutoCad, Creo, Solidwork hoặc Catia,…), hoặc được xuất ra từ các phần mềm 3D khác theo các chuẩn IGES, STEP

Từ dữ liệu 3D CAD này, thông qua các ứng dụng CAM (Creo hay Catia, …), quỹ đạo của dụng cụ và các thông số công nghệ (vận tốc vòng của dụng cụ, bước tiến, chiều sâu,…) được thiết lập Thông tin về quỹ đạo dụng cụ và thông số công nghệ chứa trong tập tin mà máy CNC đọc được Quá trình gá đặt phôi lên máy CNC được thực hiện thông qua đồ gá chuyên dùng, đồng thời tiến hành đổ chương trình vào máy và gia công

Việc chuẩn bị gia công trong phương pháp ISF mất ít thời gian và linh hoạtvì hầu hết các quá trình hiệu chỉnh và thay đổi thiết kế đều được thực hiện trên phần mềm.Mặc dù năng suất không cao bằng phương pháp dập nhưng ISF rất phù hợp trong việc tạo mẫu sản phẩm, trong sản xuất đơn chiếc và sửa chữa.Đặc biệt, ISF có thể được ứng dụng trong y học để tạo ra các mãnh xương nhân tạo bằng thép không

gỉ vốn cứng, khó gia công và số lượng rất hạn chế.Trong trường hợp này, ISF được thực hiện kết hợp với gia nhiệt cho chi tiết và công nghệ Scan 3D

1.2.3 Phân loại ISF

Phương pháp ISFđược phân biệt thành hai hình thức khác nhau là tạo hình gia tăng đơn điểm (Single Point Incremetal Forming – SPIF) và tạo hình gia tăng hai điểm (Two Point Incremental Forming – TPIF)

1.2.3.1 SPIF

SPIF được mô tả trên(Hình 1.6) Đây là phương pháp tạo hình gia tăng dùng dụng cụ tác dụng lực lên một mặt của tấm vật liệu được kẹp chặt xung quanh còn mặt kia để biến dạng tự do Dụng cụ vừa quay quanh trục của nó vừa tịnh tiến theo quỹ đạo được lập trình sẵn Trong quá trình tạo hình, dụng cụ và tấm vật liệu chỉ tiếp xúc với nhau theo một điểm và có chất bôi trơn để giảm ma sát Phương pháp này không cần dùng khuôn có hình dáng của sản phẩm mà chỉ cần tấm đỡ dưới có hình dáng là chu vi của sản phẩm và tấm kẹp trên để cố định phôi tấm cần tạo hình

Hình 1.7 TPIF.a)Trước gia công, b) Đang gia công

Phương pháp này ngoài tấm tựa dưới như SPIF còn cần phải dùng thêm dưỡng tạo phần lồi cố định Toàn bộ đồ gá và tấm tựa dưới sẽ di chuyển xuống theo đầu dụng cụ tạo hình còn dưỡng tạo phần lồi thì cố định trên bàn máy

7

1.2.4 Phân biệt khả năng của SPIF và TPIF

a SPIF không dùng khuôn, kết cấu đồ gá và chuyển động đơn giản, giá thành hạ nhưng bị giới hạn là không thể tạo các chi tiết tấm vừa lõm vừa có vùng lồi

b TPIF phải dùng thêm dưỡng, kết cấu đồ gá cần chuyển động hạ xuống, nâng lên cùng với đầu dụng cụ tạo hình, do đó giá thành cao nhưng phạm vi tạo hình rộng hơn có thể tạo hình các chi tiết tấm vừa lõm vừa có vùng lồi

1.2.5 Khả năng biến dạng của SPIF và góc biến dạng

Khả năng biến dạng của SPIF được đặc trưng bởi góc biến dạng lớn nhất

αmax.Góc biến dạng α là góc hợp bởi tiếp tuyến của bề mặt gia công với phương ngang tại điểm đang xét.Góc biến dạng lớn nhất αmax là góc biến dạng tại vị trí chi tiết bị rách khi biến dạng [3] Việc xác định góc biến dạng là yêu cầu quan trọng nhất và cũng là vấn đề chủ yếu trong các nghiên cứu về SPIF nhằm định hướng cho thiết kế và chế tạo chi tiết bằng phương pháp gia công này (Hình 1.8)

Hình 1.8 Biên dạng chi tiết khảo sát [3]

𝒕 = 𝒕𝟎𝒔𝒊𝒏⁡(𝝅

8

t0 (mm) – bề dày ban đầu Nếu góc α = 900 thì t =0 Phương pháp SPIF không tạo hình được những vách thẳng đứng Nó cũng gặp khó khăn đối với các bề mặt bậc Độ chính xác hình học và chất lượng bề mặt không cao bằng phương pháp dập

1.2.6 Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng khả năng tạo hình SPIF

Các nghiên cứu cho thấy các thông số sau đây có ảnh hưởng đến khả năng tạo hình của sản phẩm tấm khi tạo hình bằng SPIF:

i Hình dạng quỹ đạo dụng cụ (tool path)

ii Bước tiến theo phương z, ∆z (mm)

iii Vận tốc chạy dụng cụ Vxy (mm/phút) trong mặt phẳng xy

iv Số vòng quay n (vòng/phút) của trục chính mang dụng cụ tạo hình

v Đường kính dụng cụ tạo hình D (mm)

vi Nhiệt độ của chi tiết trong quá trình tạo hình T( 0 C)

vii Bề dày tấm trước khi gia công (mm)

viii Hệ số ma sát f giữa tấm và dụng cụ tạo hình

1.2.7 Công nghệ SPIF ở nhiệt độ cao

Phương pháp SPIF gia công được các vật liệu mềm ở nhiệt độ thường như nhôm, đồng, thép cacbon thấp, nhựa nhiệt dẻo, …Với vật liệu dạng tấm có độ cứng,

độ bền cao như: thép không gỉ, hợp kim đồng, Magiê, Titanium… rất khó biến dạng và định hình ở nhiệt độ thường vì khả năng đàn hồi cao Để gia công được, các chi tiết dạng tấm loại này phải được gia nhiệt đến nhiệt

nhôm-độ phù hợp mà ở đó nó trở nên mềm hơn Phương pháp tạo hình gia tăng vật liệu tấm có gia nhiệt gọi là phương pháp tạo hình gia tăng ở nhiệt độ cao

Vấn đề quan trọng của SPIF ở nhiệt độ cao là phương pháp gia nhiệt và kiểm soát nhiệt độ của chi tiết trong quá trình gia công Tính chất của vật liệu và khả năng biến dạng của nó phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ Một sự tăng nhiệt độ không

có kiểm soát ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng cũng như độ chính xác của chi tiết

9

1.3 Tóm tắt các kết quả nghiên cứu

Ý tưởng về công nghệ ISF đề xuất bởi Leszak vào năm 1967, được gọi lúc

đó là công nghệ tạo hình không khuôn Đến hơn hai mươi năm sau, ý tưởng đó mới lại được quan tâm và đã xuất hiện một vài định hướng nghiên cứu Nguyên nhân chính của sự chậm trễ này là sự giới hạn của công nghệ điều khiển số trong các máy tiện và phay Những năm cuối của thập niên tám mươi, công nghệ điều khiển số đã phát triển rất nhiều và các sản phẩm trên thị trường cũng nâng dần mức độ phức tạp Các nhà sản xuất cần thiết phải giảm thời gian và giá thành phát triển sản phẩm Ý tưởng về SIF kết hợp với máy điều khiển số trở thành lựa chọn quan trọng có ý nghĩa chiến lược để chế tạo mẫu Vì thế mà từ đó đến nay, công nghệ này mới được đầu tư nghiên cứu

Trước 2003, các nghiên cứu chỉ tập trung tìm hiểu quá trình biến dạng và xây dựng mô hình cho SPIF Từ năm 2003, số lượng nghiên cứu tăng lên, các nhà nghiên cứu bắt đầu tập trung khảo sát khả năng tạo hình, lực tác dụng của SPIF như thế nào, độ chính xác tạo hình của SPIF Từ năm 2005 đến nay, có rất nhiều hội nghị về công nghệ SPIF, số lượng bài báo cũng như số lượng nhà nghiên cứu về lĩnh vực này tăng lên đáng kể

Các nhóm nghiên cứu thực nghiệm khả năng dẻo của vật liệu nhờ biện pháp gia nhiệt đã nghiên cứu và đưa ra phương pháp để cải tiến SPIF nhờ gia nhiệt cục

bộ kết hợp với cải tiến đường chạy dụng cụ

Nhìn chung các nghiên cứu tập trung vào thực nghiệm và mô phỏng số để xác định các thông số công nghệ ảnh hưởng đến khả năng tạo hình Trong đó có thể phân biệt hai loại chính là không có xét đến nhiệt độ (nghiên cứu thực hiện ở nhiệt

độ thường) và có xét đến nhiệt độ (nghiên cứu thực hiện ở nhiệt độ cao) Cách thức thực hiện của hai loại này chỉ khác nhau ở chỗ có và không có hệ thống gia nhiệt

Do đó, để có cái nhìn hệ thống về những nghiên cứu trước đây, việc tóm tắt lại các kết quả được phân loại theo các thông số công nghệ

Nghiên cứu của Lê Văn Sỹ [2] cho tấm Polymer với các thông số

∆z(0,2÷1mm), đường kính dụng cụ D (6÷12mm), lượng chạy dụng cụ Vxy(1000÷3000mm/ph) và tốc độ dụng cụ n(200÷700 vòng/ph) Nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của ∆z là lớn nhất, kế đến là đường kính dụng cụ và lượng chạy dụng cụ.Tốc độ trục chính có ảnh hưởng nhưng không đáng kể Bước tiến ∆z và lượng chạy Vxy tăng làm góc biến dạng giảm nhưng đường kính dụng cụ tăng thì biến dạng tăng

Crina Radu [5] nghiên cứu ảnh hưởng của bốn thông số đường kính dụng cụ D(3÷5mm), bước tiến ∆z(0,05÷0,5mm), lượng chạy dụng cụ Vxy (1500÷3000mm/ph) và tốc độ trục chính n(500÷1000v/ph) đến chất lượng bề mặt của tấm thép cacbon thấp Bề dày tấm 0,6mm.Qua thí nghiệm, kết quả cho thấy cả bốn thông số đều ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt sau gia công Bước tiến ∆z có ảnh hưởng lớn nhất, tiếp theo là đường kính dụng cụ, tốc độ trục chính và lượng chạy dụng cụ Khi ∆z tăng thì độ nhám tăng Ngược lại, khi D, n và Vxy tăng thì độ nhám giảm

Nghiên cứu của M.Rauch và các cộng sự [6] về ảnh hưởng của hình dạng quỹ đạo dụng cụ đến khả năng, thời gian và lực tạo hình Vật liệu được sử dụng là tấm hợp kim nhôm 5086 có bề dày 0,6 mm Dụng cụ tạo hình có đường kính 20

mm Hai loại quỹ đạo là quỹ đạo bậc thang có bước 0,5÷1mm và quỹ đạo xoắn ốc cũng có bước 0,5÷1mm được tạo thành từ phần mềm CAM Lượng chạy dụng cụ là 0,5÷1,5m/ph Kết quả là lượng chạy dụng cụ hầu như không ảnh hưởng đến lực tạo

11

hình, còn thời gian tạo hình có liên quan đến cả lượng chạy dụng cụ và loại quỹ đạo dụng cụ Từ đó, tác giả kết luận rằng quỹ đạo từ chương trình CAM không phù hợp với phương pháp gia công SPIF và đề xuất xây dựng loại quỹ đạo mới từ dữ liệu lực tạo hình thu thập được trong lúc gia công Phương pháp thu thập dữ liệu và xử lí khá phức tạp

Các nghiên cứu về SPIF ở nhiệt độ thường tập trung vào tìm ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng biến dạng (góc biến dạng α) của vật liệu tấm.Một số nghiên cứu về ảnh hưởng của chúng đến độ nhám bề mặt và độ chính xác hình học của chi tiết Các thông số công nghệ ảnh hưởng gồm có: 1)đường kính dụng cụ; 2)Bước tiến theo phương z; 3)tốc độ chạy dụng cụ Vxy; 4)tốc độ trục chính n; 5)bề dày phôi; 6)hình dạng quỹ đạo dụng cụ Trong đó, bề dày và tốc độ trục chính là ít ảnh hưởng nhất

1.3.1.2 Ở nhiệt độ cao

Nghiên cứu của G.Ambrogio và các cộng sự[7] về khả năng biến dạng của hợp kim Magie AZ31 bằng cách thực hiện thí nghiệm với hình nót cụt đường kính lớn là 100 mm, chiều sâu là 40mm và đường kính nhỏ là một hàm của góc biến dạng Các thông số công nghệ được dùng là đường kính dụng cụ D (12÷18mm), bước tiến ∆z (0,3÷1mm), nhiệt độ T (200÷3000C) Họ phát hiện ra rằng khả năng tạo hình tăng đáng kể ở nhiệt độ cao Nếu ở nhiệt độ thường chiều sâu thu được là 3mm và góc biến dạng là 300 thì ở 2500C góc biến dạng thu được là 600 và chiều sâu là 40mm Hai thông số ảnh hưởng lớn đến khả năng tạo hình là nhiệt độ T và bước tiến ∆z, trong khi ảnh hưởng của đường kính dụng cụ là không đáng kể[8] Thiết bị gia nhiệt được mô tả như(Hình 1.9) Chi tiết được kẹp chặt trên đế dưới nhờ tấm kẹp Vòng gia nhiệt đặt xung quan đế dưới làm nóng nó và truyền cho chi tiết Để ngăn nhiệt làm nóng bàn máy, phía dưới đế dưới được bố trí hệ thống làm lạnh Nhiệt độ được điều khiển bằng bộ điều khiển PID với sai số nhiệt độ là 50

C

12

Hình 1.9 Thiết bị gia nhiệt của Ambrogio a)Mô hình CAD b)Mô hình thực

Ji, Y.H., Park, J.J [9]nghiên cứu khả năng biến dạng của hợp kim magie AZ31 ở các nhiệt độ 200

C, 1000C, 1500C, 2000C và 2500C Chi tiết khảo sát dạng côn với góc côn phụ thuộc vào giới hạn tạo hình ở các mức nhiệt độ đó Tác giả kết luận rằng khả năng tạo hình tăng khi nhiệt độ tăng [8]

Zhang, Q và các cộng sự [10] nghiên cứu ảnh hưởng của tính bất đẳng hướng đối với khả năng tạo hình bằng SPIF ở nhiệt độ cao cho tấm hợp kim magie AZ31 Họ sử dụng các tấm AZ31 được chế tạo bằng bốn phương pháp đùn nóng, đúc rồi cán nóng, cán ngang và đúc cán liên tục ở các nhiệt độ 1500C, 2000C, 2500C

và 3000C Tác giả thấy rằng tính bất đẳng hướng có ảnh hưởng lớn đến khả năng tạo hình và ảnh hưởng đó giảm khi tăng nhiệt độ

Nghiên cứu của David Adams [11].Ông dùng hai điện cực, một là dụng cụ tạo hình và một là tấm kim loại làm cho tấm kim loại bị đốt nóng Đây là một bài báo ngắn, ông chỉ giới thiệu công nghệ SPIF ở nhiệt độ cao trên vật liệu kim loại có

độ cứng bình thường và ứng dụng của HOT SPIF chứ chưa nghiên cứu sâu ảnh hưởng của các thông số đến quá trình tạo hình và độ chính xác của sản phẩm Phương pháp này có nhược điểm rất lớn đó là nhiệt độ phân bố không đều trên tấm,

cụ thể là ngay tại vị trí tiếp xúc giữa dụng cụ và tấm kim loại là nóng nhất và dễ rách nhất (Hình 1.10)

13

Hình 1.10 Nghiên cứu của David Adams

Nghiên cứu của Lê Văn Sỹ [2][12]về ảnh hưởng của ba thông số công nghệ nhiệt độ T (2000

C÷3000C), bước tiến theo phương z (0,2÷1mm) và tốc độ chạy dụng cụ Vxy (1000÷6000mm/ph) đến khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt của tấm hợp kim nhôm A1010 và hợp kim magie AZ31 Đường chạy dụng cụ được sử dụng là quỹ đạo hình xoắn ốc.Mô hình khảo sát là hình nón cụt đường sinh cong Kết quả cho thấy nhiệt độ ảnh hưởng lớn nhất đến góc tạo hình của hợp kim nhôm

và hợp kim magie trong khi ảnh hưởng của bước tiến∆z đối với độ nhám là lớn nhất Thiết bị gia nhiệt được sử dụng dựa vào hiệu ứng June-Lenze nhưHình 1.11

Hình 1.11.Hệ thống gia nhiệt bằng dòng một chiều

Chi tiết gia công được nối với hai cực của dòng điện một chiều cường độ cao

sẽ nóng lên theo hiệu ứng June-Lenze: Q = R I2 t Nhiệt độ của tấm được nhận biết bằng cặp nhiệt.Điện cực được làm mát bằng hệ thống làm mát bằng nước.Ưu điểm của phương pháp này là thời gian gia nhiệt nhanh, kiểm soát nhiệt độ khá chính xác Nhược điểm: chỉ gia công được vật liệu dẫn điện, nhiệt sinh ra phụ thuộc vào điện trở suất của chi tiết nên đối với những vật liệu dẫn điện tốt cần nguồn có cường độ rất cao

14

Fan và cộng sự [13] sử dụng phương pháp gia nhiệt như của David Adams [11] để nghiên cứu khả năng tạo hình của tấm hợp kim magie AZ31 và hợp kim titan TiA2Mn1,5 (Hình 1.12)

Mô hình sử dụng là hình nón cụt với các góc sinh thay đổi từ 300

đến 900 Các thông số công nghệ được xét đến là cường độ dòng điện, tốc độ chạy dụng cụ, đường kính dụng cụ, bước tiến theo phương z và điện trở Tác giả nhận thấy rằng phương pháp này dễ điều khiển và các thông số công nghệ có ảnh hưởng đến khả năng tạo hình Cụ thể là khi tăng dòng điện thì khả năng tạo hình tăng trong khi tăng tốc độ chạy dụng cụ, đường kính dụng cụ và bước tiến ∆z thì khả năng tạo hình giảm [8]

Hình 1.12.Thí nghiệm của Fan

Một phương pháp gia nhiệt cục bộ tại vùng tiếp xúc giữa dụng cụ và chi tiết nữa là dùng tia lazer của Duflou [14] [8](Hình 1.13)

Hình 1.13 Gia nhiệt bằng Lazer của Doflou

15

Dụng cụ được lắp trên cánh tay Robot công nghiệp có đường tâm nằm ngang Chi tiết được đặt thẳng đứng.Nguồn Laser đặt phía sau chi tiết (đối diện với dụng cụ).Chuyển động của nguồn Laser đồng bộ với chuyển động của dụng cụ để tạo ra một vùng nhiệt di động lân cận vị trí tiếp xúc giữa dụng cụ và chi tiết.Tác giả xác định ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng và độ chính xác biến dạng của tấm 65Cr2 dày 0,5mm bằng cách thực hiện gia công ở nhiệt độ thường (không chiếu lazer) và ở nhiệt độ cao (có chiếu lazer) Mô hình khảo sát là nón cụt với góc sinh

500 Đường kính dụng cụ 10mm, bước tiến ∆z 0,5mm, tốc độ chạy dụng cụ là 2000mm/ph ở nhiệt độ cao và 1500mm/ph ở nhiệt độ thường

Hình 1.14 Kết quả nghiên cứu của Doflou

Kết quả (Hình 1.14) cho thấy ở nhiệt độ cao, khả năng biến dạng lớn hơn và

độ chính xác hình học cũng gần với biên dạng thiết kế

Trong nghiên cứu của L Galdos và các tác giả [15] về khả năng biến dạng của hợp kim Magie ở nhiệt độ cao, họ sử dụng phương pháp gia nhiệt mới là dùng dòng chất lỏng nóng để làm nóng chi tiết (Hình 1.15)

Hình 1.15 Thiết bị gia nhiệt của L.Galdos a) Mô hình CAD b) Mô hình thực tế

1.3.2 Nghiên cứu trong nước

Công nghệ SPIF đối với Việt Nam gần như chưa được quan tâm nghiên cứu ngoài nhóm nghiên cứu do PGS.TS Nguyễn Thanh Nam, trường ĐHBK TP.HCM chủ trì, nhưng cũng chỉ mới thực hiện một số nghiên cứu đối với các vật liệu nhôm, thép mềm, nhựa nhiệt dẻo ở nhiệt độ thường, còn đối với vật liệu có độ cứng, độ bền cao thì chưa được nghiên cứu Các nghiên cứu có thể kể đến:

Nghiên cứu về góc tạo hình của hợp kim nhôm A1050-H14[16] Tác giả khảo sát ảnh hưởng của bốn thông số công nghệ bước tiến z, đường kính dụng cụ, tốc độ chạy dụng cụ Vxy, tốc độ trục chính, trên tấm nhôm dày 1mm ở nhiệt độ thường bằng thực nghiệm.Đường chạy dao dạng xoắn ốc.Quá trình thực nghiệm thực hiện qua hai bước: bước 1 thực hiện gia công biên dạng nón cụt đường sinh cong để xác định góc tạo hình lớn nhất, bước 2 kiểm tra lại góc biến dạng đó bằng cách gia công biên dạng nón cụt đường sinh thẳng với góc biến dạng nêu trên.Kết quả là đường kính dụng cụ và bước tiến z có ảnh hưởng lớn đến góc tạo hình, trong khi ảnh hưởng của tốc độ chạy dụng cụ và tốc độ trục chính không đáng kể Nghiên cứu cũng đã đưa ra bộ thông số công nghệ tối ưu và chạy kiểm tra một số chi tiết hình dạng khác nhau (Hình 1.16)

Hình 1.16 Một số sản phẩm A1050-H14gia công bằng thông số tối ưu [16]

Hình 1.17 Thực nghiệm SPIF đối với PVC a) Bố trí thí nghiệm b) Kết quả

Sử dụng công nghệ ISF để sản xuất mô hình xe hơi[18], nghiên cứu này nhằm mục đích ứng dụng công nghệ ISF để sản xuất mẫu sản phẩm hoặc sản xuất đơn chiếc từ thiết kế CAD cho đến tính toán và chọn lọc các thông số công nghệ, thiết lập gia công và xử lí sau gia công Các thông số công nghệ đƣợc kế thừa từ những nghiên cứu liên quan.Các mẫu sản phẩm đƣợc tạo hình thành công đã cho thấy tính ứng dụng của công nghệ này vào thực tế (Hình 1.18)

Hình 1.18 Ứng dụng ISF vào thực tế a) Mô hình CAD b) Sản phẩm

18

Nghiên cứu khả năng biến dạng của tấm composite nền PP sợi thủy tinh loại E[3] bằng mô phỏng Tác giả tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng tạo hình của tấm composite, xây dựng mô hình FEM, phân tích, xác định góc biến dạng lớn nhất theo nhiệt độ và xây dựng biểu đồ giới hạn tạo hình (Hình 1.19) Các giá trị nhiệt độ khảo sát là 20, 60, 80, 100, 120, 140, 160, 1650C

Hình 1.19 Biểu đồ giới hạn tạo hình của composite nền PP sợi thủy tinh E

Các nghiên cứu đều thành công trong việc gia công bằng SPIF với các thông

số công nghệ được sử dụng: 1)Bước tiến z, 2)Tốc độ chạy dụng cụ Vxy, 3) Đường kính dụng cụ D, 4)Tốc độ trục chính, 5) Nhiệt độ 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 Abaqus, các tác giả đã kết luận các thông số công nghệ đó đều có ảnh hưởng đến khả năng tạo hình và ảnh hưởng lớn nhất vẫn là ba thông số ∆z, Vxy và D

1.4 Mục đích của đề tài

Các nghiên cứu trước đây tập trung vào các vật liệu kim loại mềm và ở nhiệt

độ thường Tuy nhiên, trong thực tế, các chi tiết làm bằng những loại vật liệu này được sử dụng rất hạn chế do không đảm bảo điều kiện tải trọng khi làm việc Phương pháp gia nhiệt đang sử dụng bộc lộ nhiều hạn chế Nhận thấy công nghệ tạo hình gia tăng ở nhiệt độ cao có thể gia công được các loại hợp kim có độ cứng cao

19

mà trong thực tế hay sử dụng nên đề tài tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng biến dạng vật liệu kim loại tấm trong gia công bằng phương pháp tạo hình gia tăng ở nhiệt độ cao Đồng thời đề xuất và áp dụng phương pháp gia nhiệt mới có phạm vi ứng dụng rộng cả trong thí nghiệm và thực

1.5.2 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của năm thông số công nghệ:nhiệt độT(0C), tốc độ chạy dụng cụ Vxy(mm/phút), bước tiến theo phương z của dụng cụ

∆z (mm), đường kính dụng cụD (mm) và tốc độ trục chính n (vòng/phút) đến góc tạo hìnhα(0) của vật liệu SUS 304 bằng thực thực nghiệm;xác định bộ thông số công nghệ tối ưu; mô phỏng FEM để dự đoán kết quả và so sánh với thực nghiệm; thiết

kế và chế tạohệ thống gia nhiệt gián tiếp bằng lò điện trở

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

a Xác định và làm rõ được thông số công nghệ nào ảnh hưởng lớn nhất đến khả năng biến dạng của tấm SUS 304

b Mở ra một phương pháp gia công mới cho tấm SUS 304 với chi phí thấp, thời gian ngắn phù hợp trong sản xuất đơn chiếc và chế tạo sản phẩm thử nghiệm

1.7 Phương pháp nghiên cứu

tích ANOVA

phương pháp tích phân tường minh (Explicite)

ưu điểm hơn nên thép cán nguội được sử dụng chủ yếu trong dập nguội còn thép cán nóng được sử dụng để chế tạo các chi tiết phẳng, hình dạng đơn giản và dập vuốt không sâu

Thép hai pha cán nguội có cấu trúc ferrit-mactenxit chứa 20 ÷ 25% pha cứng mactenxit trên nền ferrit mềm Loại này thường được cán với bề dày 0,7 ÷ 2 mm, có

tỉ số giữa giới hạn chảy và giới hạn bền thấp (0,6 ÷ 0,65), hệ số dị hướng cao (1,1 ÷ 1,6), phạm vi thay đổi giới hạn bền rộng (400 ÷ 550 MPa) Khi dập bằng thép này,

độ bền của chi tiết tăng lên nhiều Nếu trước khi dập có giới hạn chảy là 280 MPa

và giới hạn bền là 550 MPa thì sau khi dập các giới hạn đó lần lượt là 650 MPa và

Khảo sát về lý hóa cho rằng kích thước hạt của vật liệu tấm có ảnh hưởng đến tính dập, cụ thể là hạt lớn thì tính dập giảm, chất lượng bề mặt sau khi dập thấp,

dễ rách khi vuốt sâu Hạt nhỏ làm tăng trở lực biến dạng và tăng biến dạng đàn hồi ảnh hưởng đến độ chính xác chi tiết và giảm tuổi thọ khuôn Độ không đồng đều về kích thước hạt cũng làm tính dập giảm