Nghiên cứu công nghệ dập nổi để chế tạo chi tiết mỹ nghệ từ hợp kim đồng

Gia công áp lực tạo hình sản phẩm dựa trên biến dạng dẻo của vật liệu là một trong những ngành quan trọng của lĩnh vực sản xuất cơ khí đã có từ rất lâu đời và không ngừng phát triển, bởi

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

CÁC TỪ VIẾT TẮT 5

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ SẢN PHẨM 6

1.1 Phương pháp tạo hình bằng gia công áp lực 6

1.1.1 Phương pháp dập tấm [2] 6

1.1.2 Phương pháp dập khối [1] 8

1.2 Vài nét về sản phẩm của công nghệ dập nổi [7, 12] 10

1.2.1 Sản phẩm khối 11

1.2.2 Các loại sản phẩm tấm 16

1.3 Công nghệ tạo hình bề mặt [12] 22

1.3.1 Công nghệ cán tạo hình bề mặt trên trục lăn 22

1.3.2 Công nghệ dập nổi bằng khuôn 25

1.3.3 Công nghệ Đúc 28

1.3.4 Các phương pháp thủ công 30

1.3.5 Dập nổi các chi tiết micro [7] 32

1.4 Các phương pháp gia công khuôn 34

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DẬP NỔI 40

2.1 Sơ đồ công nghệ dập nổi 41

2.2 Lực dập nổi 43

2.3 Khuôn dập nổi 46

2.3.1 Vật liệu làm khuôn 46

2.3.2 Kết cấu khuôn 47

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG SỐ TRONG CÔNG NGHỆ DẬP NỔI 49

3.1 Vai trò của mô phỏng số [3] 49

3.2 Giới thiệu các phương pháp mô phỏng 50

3.3 Ứng dụng mô phỏng số trong Gia công áp lực 52

3.4 Các bước tiến hành mô phỏng số bài toán tạo hình 54

3.5 Ứng dụng phần mềm Dynaform trong dập tạo hình [3] 55

3.6 Lựa chọn chi tiết dập nổi 62

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH DẬP NỔI CHI TIẾT MỸ NGHỆ 65

4.1 Thiết lập bài toán dập bề nổi mặt 65

4.1.1 Thiết lập mô hình hình học 66

4.1.2 Thiết lập mô hình vật liệu 70

4.3 Thiết lập mô hình điều kiện biên 72

4.3 Giải bài toán 73

4.4 Phân tích kết quả mô phỏng 73

KẾT LUẬN 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay ngày càng nhiều công nghệ chế tạo các sản phẩm cơ khí mới, tiên tiến được nghiên cứu, ứng dụng để tạo ra sản phẩm trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, y tế, quốc phòng, dân dụng, mỹ thuật với năng suất, chất lượng cao hơn đồng thời giá thành hạ do tiết kiệm được chi phí sản xuất Gia công

áp lực (tạo hình sản phẩm dựa trên biến dạng dẻo của vật liệu) là một trong những ngành quan trọng của lĩnh vực sản xuất cơ khí đã có từ rất lâu đời và không ngừng phát triển, bởi công nghệ này cho năng suất cao, chất lượng sản phẩm tốt, tiết kiệm nguyên vật liệu, sản phẩm đa dạng phong phú và khả năng thay đổi kiểu loại dễ dàng Với những ưu việt so với các công nghệ khác, tạo hình bằng biến dạng dần khẳng định được tầm quan trọng của ngành đi đầu trong nền công nghiệp Ngành tạo hình biến dạng được coi là ngành trung tâm, then chốt phục vụ đắc lực, tạo nền tảng phát triển cho các ngành khác như: Công nghệ chế tạo máy, hóa dầu, quốc phòng, y tế…và đặc biệt là công nghiệp điện tử

Trong nhiều công trình nghiên cứu về công nghệ gia công áp lực, nhiều ứng dụng cụ thể của công nghệ này trong sản xuất cơ khí có thể thấy sản phẩm gia công áp lực đa dạng, từ những chi tiết nồi, thìa, dĩa phục vụ gia dụng, đến các chi tiết bánh răng, trục, khớp nối phục vụ công nghiệp ô tô, xe máy, đến các chi tiết dạng vỏ cỡ lớn trong công nghiệp máy bay hay tàu thủy, những chi tiết rỗng có hình dạng phức tạp sử dụng trong y tế, hệ thống cấp nhiên liệu hay dầu khí, những chi tiết có kích thước một vài milimet xuống đến micromet phục vụ cho cơ khí chính xác và công nghiệp điện tử Nhưng một trong những sản phẩm không thuộc sản phẩm công nghiệp đó là đồ trang trí, mỹ thuật cũng được coi là sản phẩm đặc trưng của công nghệ gia công áp lực Trên thế giới, việc tạo ra những họa tiết trang trí trên bề mặt của chi tiết (như đồng tiền) sử dụng công nghệ gia công áp lực rất phổ biến và hữu hiệu

mặt để dập các họa tiết trang trí trên các sản phẩm tấm và khối Mặc dù nhu cầu về tạo hình nổi mặt kim loại và hợp kim phục vụ mỹ thuật và trang trí đang ngày càng gia tăng, nhưng việc nghiên cứu bài bản về công nghệ tạo hình nổi mặt vẫn chưa được đề cập nhiều và ít có những công trình nghiên cứu về hướng này

Sau khí nghiên cứu khảo sát nhu cầu tại nhiều cơ sở sản xuất trong nước, tôi quyết định lựa chọn hướng nghiên cứu tạo hình nổi mặt với đề tài Nghiên cứu công nghệ dập nổi để chế tạo chi tiết mỹ nghệ từ hợp kim đồng, nhằm hiểu rõ và ứng dụng một phương pháp nghiên cứu mới về công nghệ tạo hình nổi tấm nhờ mô phỏng số

Trong khuôn khổ đề tài, từ việc lựa chọn sản phẩm đến khâu tính toán thiết kế công nghệ, khuôn và hay lựa chọn thiết bị chế tạo sản phẩm mới chỉ dừng lại ở khâu thiết kế mô hình Mục tiêu chính của Luận văn là nghiên cứu ứng dụng phương pháp mô phỏng số để tạo hình các chi tiết mỹ thuật từ vật liệu tấm Với việc nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số sẽ cho phép người kỹ

sư thiết kế nhanh chóng quyết định được phương án công nghệ, thiết kế khuôn và lựa chọn thiết bị thực hiện sao cho tối ưu nhất

Luận văn được trình bày trong 4 chương Chương 1 là tổng quan về công nghệ sản phẩm, trình bày các dạng sản phẩm điển hình của dập nổi mặt

và các công nghệ hiện tại đang được sử dụng trên thế giới và Việt Nam Chương 2 trình bày những kiến thức cơ bản nhất về tính toán các thông số công nghệ dập nổi và khuôn dập nổi Chương 3 nghiên cứu ứng dụng phần mềm mô phỏng số để tính toán bài toán tạo hình nổi mặt Chương 4 trình bày các bước thực hiện và kết quả nghiên cứu về tạo hình nổi chữ PHÚC Cuối cùng là một vài kết luận quan trọng về tạo hình nổi mặt chi tiết tấm có ứng dụng mô phỏng số trong thiết kế công nghệ

CÁC TỪ VIẾT TẮT Các phần mềm mô phỏng: AUTOFORM, ITAS, PAMSTAMP,

SHEET, DYNAFORM, DEFORM, MARC

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ SẢN PHẨM 1.1 Phương pháp tạo hình bằng gia công áp lực

Công nghệ Gia công áp lực hay còn gọi là công nghệ tạo hình vật liệu kim loại bằng áp lực là phương pháp gia công tạo hình vật liệu dựa trên sự biến dạng dẻo Vật liệu kim loại luôn thay đổi hình dạng trong suốt quá trình gia công để đạt được hình dáng, kích thước cuối cùng theo mong muốn, trong đó không có sự phá hủy liên kết trong vật liệu và bảo toàn thể tích của mình

Ở các nước công nghiệp phát triển, Gia công áp lực chiếm một vị trí quan trọng trong ngành cơ khí chế tạo và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như chế tạo ôtô, xe máy, máy công cụ, sản phẩm phục vụ đời sống Đối với công nghiệp sản xuất ô tô thì Gia công áp lực có tỷ trọng chi tiết sản phẩm lên đến 35% tổng chi tiết của một xe ô tô

Công nghệ gia công áp lực được chi thành nhiều phương pháp công nghệ như dập tấm, dập khối, dập thủ tính, dập Micro, Nano… Trong đó 2 phương pháp sử dụng khá phổ biến trong sản xuất đó là dập tấm và dập khối

1.1.1 Phương pháp dập tấm [2]

Hiện nay dập tấm là một trong những phương pháp gia công kim loại tiên tiến nhất, nó được áp dụng rộng rãi trong hầu hết các nhà máy chuyên sản xuất dập nguội cũng như các nhà máy chế tạo và sửa chữa cơ khí khác Ở các nước có nền công nghiệp tiên tiến, quá trình sản xuất dập tấm được tự động hoá và cơ khí hoá với mức độ cao, nhiều loại thiết bị mới có công suất lớn và có những tính năng kỹ thuật đặc biệt đã được thiết kế và chế tạo Công nghệ dập tấm sử dụng chủ yếu để tạo hình các chi tiết có hình dạng phức tạp từ vật liệu tấm

Mặt hàng dập tấm rất phong phú và đa dạng Nó không những bao gồm những sản phẩm phục vụ nhu cầu đời sống hàng ngày của nhân dân mà còn

được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như chế tạo máy, kỹ thuật điện, chế tạo ô tô, máy bay, chế tạo thiết bị dụng cụ máy chính xác vv Sản xuất dập tấm được áp dụng rộng rãi như vậy vì nó có nhiều ưu việt

so với các phương pháp gia công kim loại khác

Về mặt kỹ thuật: Bằng phương pháp dập tấm có thể thực hiện được những công việc phức tạp bằng những động tác đơn giản của thiết bị, có thể chế tạo được những chi tiết hết sức phức tạp mà đôi khi những phương pháp gia công kim loại khác không thể hoặc chế tạo khó khăn Độ chính xác của chi tiết dập tấm tương đối cao, bảo đảm lắp lẫn tốt, không cần phải gia công lại bằng cắt gọt Kết cấu của chi tiết dập tấm cứng vững bền nhẹ, mức độ hao phí vật liệu không lớn

Về mặt kinh tế: Sử dụng phương pháp dập tấm tiết kiệm được nhiều nguyên vật liệu, có điều kiện thuận tiện để cơ khí hóa và tự động hoá quá trình sản xuất do đó năng suất lao động cao Quá trình thao tác trên máy đơn giản không cần thợ bậc cao, lại thường sản xuất hàng loạt lớn do đó giá thành hạ

Nhiều chi tiết vỏ mỏng, có kích thước lớn, có hình dạng phức tạp chỉ có thể sản xuất hiệu quả nhờ công nghệ dập tấm

Dưới đây trình bày một số hình ảnh về sản phẩm dập tấm:

Hình 1.2 Các chi tiết gia dụng

1.1.2 Phương pháp dập khối [1]

Dập khối (còn gọi là dập thể tích) là phương pháp gia công áp lực được sử dụng để tạo hình các chi tiết dạng khối (chi tiết có kích thước theo 3 phương không chênh lệch nhau quá nhiều) Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực chế tạo máy và công nghiệp hàng tiêu dùng, đặc biệt là trong công nghiệp chế tạo ô tô, xe máy, xe lửa, máy công cụ, máy nông nghiệp

Dập khối có thể được tiến hành trên khuôn hở hay khuôn kín

Dập khối có những ưu điểm mà các phương pháp gia công khác không

có được như:

+ Thay đổi cấu trúc tinh thể theo hướng có lợi (giảm kích thước hạt)

và có thể tạo ra hướng thớ kim loại phù hợp do đó làm cho độ bền, độ cứng của chi tiết tăng lên

+ Quá trình dập khối tiết kiệm được nhiều kim loại, nhất là trong sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối Do đó hạ giá thành sản phẩm

+ Do độ bền độ cứng được tăng lên nên kích thước chi tiết giảm đi, chi tiết sẽ gọn nhẹ hơn

+ Cho năng suất cao, thao tác đơn giản không cần thợ bậc cao và có khả năng chế tạo rất linh hoạt từ chi tiết nhỏ tới những chi tiết rất lớn

Tuy nhiên gia công bằng phương pháp dập khối cũng có các nhược điểm sau: + Không dập được những chi tiết phức tạp, chi tiết quá lớn như phương pháp đúc

+ Hầu hết quá trình tạo hình được thực hiện ở trạng thái nóng nên quá trình thao tác và tự động hóa phức tạp hơn

+ Độ chính xác, độ bóng thấp hơn so với gia công cơ Tuy nhiên, hiện nay đã có những phương pháp dập tiên tiến, có thể dập ra những chi tiết

có độ bóng, độ chính xác cao, do đó đối với một số mặt hàng gia công áp lực có phần vượt gia công cơ và người ta có khuynh hướng dùng phương pháp gia công kim loại bằng áp lực để tránh phải gia công cơ

Đặc biệt là dập khối trên máy ép trục khuỷu dập nóng với các ưu điểm của nó như máy làm việc êm, thân máy và cụm trục khuỷu thanh truyền có

độ cứng vững tốt, dẫn hướng êm, chính xác, tốc độ của máy nhanh, có thể đẩy phôi tự động Các đặc điểm này sẽ cho sản phẩm có kích thước chính xác, góc nghiêng ở thành vật rèn nhỏ, lượng dư gia công cơ nguyên công tiếp theo ít, mức độ biến hình trên các tiết diện của vật rèn tương đối đều dẫn đến

cơ lý tính của vật rèn cũng đều trong hàng loạt vật rèn, độ lệch khuôn ít, phế phẩm ít nên tiết kiệm được vật liệu, do hành trình cố định nên chiều cao vật rèn là rất chính xác Hơn nữa dập thể tích trên máy ép trục khuỷu còn cho năng suất gấp 23 lần so với khi dập trên máy búa

Sản phẩm của dập khối rất phong phú và đa dạng, chúng có hình dạng, kích cỡ và vật liệu khác nhau Khối lượng của vật dập có thể từ vài chục gam đến một vài tấn Ở các nước tiên tiến khối lượng các chi tiết qua dập thể tích chiếm trên 50% tổng số khối lượng sản phẩm công nghiệp chế tạo máy nói chung

Một số hình ảnh về sản phẩm công nghệ dập khối:

Hình 1.3 Các sản phẩm dập khối điển hình

Ở Việt Nam, trong các sản phẩm gia công áp lực thì tỷ lệ sản phẩm dập tấm chiếm trên 70%, tỷ lệ sản phẩm dập khối chỉ chiếm khoảng 30% Lý do chủ yếu là thiết bị dập khối thường phức tạp hơn nhiều và dập khối thường được thực hiện ở trạng thái nóng Chủ yếu các doanh nghiệp lớn, liên doanh mới

sử dụng công nghệ dập khối với các nguyên công hiện đại như dập trong khôn kín, dập chính xác, dập nửa nóng hay dập những chi tiết lớn Các doanh nghiệp như, doanh nghiệp tư nhân vẫn sử dụng dập tấm là chủ yếu Sản phẩm điển hình là các chi tiết điện gia dụng, dân dụng…

1.2 Vài nét về sản phẩm của công nghệ dập nổi [7, 12]

Trong quá trình tạo hình hay hoàn thiện sản phẩm, dập nổi được ứng dụng khá phổ biến Vị dụ đơn giản nhất đó là đóng dấu lên bề mặt sản phẩm dạng tấm hay dạng khối Đóng dấu biển số ô tô, xe máy In nổi lên bề mặt

chi tiết, có thể là nổi tên, dòng chữ, cũng có khi nổi logo và phức tạp hơn đó

là nổi một họa tiết mỹ thuật lên sản phẩm

Việc tạo hình nổi bề mặt có những nét đặc thù bởi nếu quan niệm rằng nguyên công này rất dễ thực hiện và không cần nghiên cứu thì thực tế việc tính toán thiết kế nguyên công này khá khó khăn Nhiều trường hợp biến dạng vật liệu ít, nhưng nhiều trường hợp biến dạng rất lớn gây rách sản phẩm Biến dạng ở những vị trí khác nhau là rất khác nhau Việc tạo hình họa tiết thường khó khăn bởi làm khuôn rất khó và khó đạt độ chính xác cao

1.2.1 Sản phẩm khối

Trong đời sống hàng ngày có rất nhiều những sản phẩm khối có ứng dụng công nghệ biến dạng bề mặt Những sản phẩm cụ thể đó là: các loại tiền xu,tiền vàng, các loại huy chương, huy hiệu, các bức ảnh nghệ thuật và logo

- Các loại tiền xu và tiền vàng Nhìn các loại đồng tiền vàng, đồng, nhôm… có thể thấy được công nghệ tạo hình nổi mặt chi tiết khối có từ rất lâu đời Ban đầu các họa tiết dập nổi thường đơn giản nhưng nay đã rất phức tạp, họa tiết có kích cỡ rất nhỏ (đến cỡ micromet) và đòi hỏi độ chính xác rất cao

Hình 1.4 Các loại tiền xu

Hình 1.5 Các loại tiền vàng Châu Âu

Hình 1.6: Tiền vàng cổ ở Châu Á

Hình 1.7 In hình, chữ nổi trên thỏi vàng

- Các loại logo và huy hiệu của các hãng sản xuất hoặc các doanh nghiệp: Mỗi một doanh nghiệp đều có một logo riêng để tạo thương hiệu

Hình 1.8: Logo và huy hiệu

- Các loại sản phẩm trang trí dạng băng (được tạo hình trên trục lăn):

Hình 1.9: Sản phẩm trang trí dạng băng, dải

- Ngoài những sản phẩm có kích thước vừa và lớn thì còn có những sản

phẩm có kích thước rất nhỏ từ vài mm đến µm:

Hình 1.10: Chi tiết điện tử

1.2.2 Các loại sản phẩm tấm

Bên cạnh các sản phẩm khối thì các sản phẩm tấm cũng rất nhiều và được sử dụng ở mọi lĩnh vực từ gia dụng đến công nghiệp và trang trí…Sản phẩm dạng tấm là các sản phẩm được tạo hình nổi trên bề mặt của tấm

- Các loại sản phẩm trang trí:

Hình 1.11 Sản phẩm trang trí

- Các loại sản phẩm dạng bức tranh nghệ thuật:

Hình 1.12: Các sản phẩm trang trí và bức tranh nghệ thuật

Nhìn vào các bức tranh dập nổi dạng tấm có thể thấy rằng công nghệ này hoàn toàn không đơn giản bởi cần có khuôn tạo hình khá phức tạp, mức

độ biên dạng cục bộ của các họa tiết đôi khi rất lớn và có thể gây rách cục

bộ Mặc dù là dập tấm nhưng đôi khi vẫn phải gia nhiệt cục bộ ở những vị trí biến dạng quá lớn để tránh rách do biến mỏng tấm

1.3 Công nghệ tạo hình bề mặt [12]

1.3.1 Công nghệ cán tạo hình bề mặt trên trục lăn

Công nghệ này sử dụng khi cần tạo hình bề mặt của một băng hay dải kim loại với các họa tiết trên băng mang tính lặp lại Bản chất của việc biến dạng bề mặt kim loại trên trục lăn chính là quá trình cán nổi hình trên bề mặt kim loại: là phương pháp làm biến dạng kim loại giữa hai trục cán quay ngược chiều nhau có khe hở nhỏ hơn chiều dày của phôi

Hình 1.13 Nguyên lý biến dạng bề mặt trên trục lăn

Quá trình có thể là cán nguội hoặc cán nóng tùy thuộc vào yêu cầu sản phẩm hoặc loại vật liệu có thể là tấm hoặc khối Tuy nhiên, đối với cán nóng

thì sản phẩm chủ yếu là dạng thanh để dễ thực hiện quá trình nung phôi Sản phẩm sau khi cán hình trên trục cán có các đặc điểm sau:

- Cán không những làm thay đổi hình dạng và kích thước phôi mà còn nâng cao chất lượng kim loại, phá hủy tổ chức đúc, tạo nên tổ chức mới có

độ bền cao và hạt nhỏ mịn

- Năng suất cao, dễ cơ khí hoá và tự động hoá

- Sản phẩm cán nguội có độ nhẵn và độ chính xác cao hơn nhưng yêu cầu lực cán lớn và làm khuôn chóng mòn

Hình 1.15: Các loại trục cán hoa văn

 Vật liệu sử dụng làm trục cán: Thông thường ta có thể làm vật liệu thép hợp kim Trong nhiều trường hợp người ta có thể mạ lên bề mặt trục một lớp Cr để tăng khả năng chịu mài mòn Khi tạo hình vật liệu mềm như kẽm, vàng, bạc người ta có thể sử dụng trục cán bằng đồng Trong quá trình tạo hình hoàn toàn có thể sử dụng chất bôi trơn để giảm ma sát và nâng cao tuổi thọ của trục cán Chất bôi trơn có thể là dầu, hay dạng bột

nhão có pha bột graphit

 Thiết bị cán: Thường sử dụng là các loại máy cán chuyên dụng chỉ để tạo hình nổi mặt Kết cấu trục cho phép thay quả cán nhanh để đa dạng hóa sản phẩm

Hình 1.16: Thiết bị cán

1.3.2 Công nghệ dập nổi bằng khuôn

Khi sản phẩm được tạo ra từ phôi chiếc, người ta thường sử dụng dập nổi bằng khuôn Dập nổi làm thay đổi hình dạng bề mặt của sản phẩm được thực hiện nhờ các phần lồi và lõm tương ứng của các bộ phận của khuôn Ta

có nguyên lý dập nổi như sau:

Hình 1.17 Nguyên lý dập nổi

Để tạo hình nổi mặt thì bề mặt khuôn trên và khuôn dưới đều có nhưng phần tạo hình lồi lõm tương ứng với họa tiết sau này sẽ được in trên bề mặt của phôi

Trong phần lớn các trường hợp, sự dập nổi được thực hiện trong khuôn kín để không ép kim loại ra ngoài khoang làm việc của nó làm thay đổi kích thước sản phẩm Dập trong khuôn hở chỉ khi dập nổi với các sản phẩm lớn Hình dập cần khắc (hoặc thúc) lên bề mặt làm việc của chày hoặc cối (hoặc cả của chày lẫn cối nếu dập nổi hình hai phía) và khi dập sẽ chuyển sang bề mặt phôi Khi đó lực dập nổi cần có , P:

- Chày cứng-cối cứng: loại sử dụng phổ biến nhất

- Chày cứng-cối mềm (cao su)

- Chày mềm (cao su)-cối cứng

Hình 1.18: Khuôn dập nổi chày cứng - cối cứng và bề mặt của chày, cối

Để đạt được độ chính xác của sản phẩm, cần thiết phải lắp ráp khuôn chính xác Khuôn dập nổi về cơ bản cũng có các chi tiết, bộ phận như một khuôn dập thông thường Nhưng đối với một số khuôn đặc biệt ta có thể lắp

Để đạt được độ sắc nét của các họa tiết in trên bề mặt sản phẩm cần có lực biến dạng lớn để kim loại có thể điền đầy vào các vị trí ngóc ngách của khuôn, đôi khi vị trí cần điền đầy kim loại chỉ có kích thước cỡ vài micromet

Do họa tiết trên chày, cối thường rất tinh xảo nên việc gia công khuôn trước kia thường nhờ vào thợ thủ công đục, đẽo, trạm khắc bề mặt khuôn Ngày nay, việc chế tạo khuôn có thể sử dụng các phương pháp gia công cắt gọt tinh vi với độ chính xác cao (gia công µm-gia công tia lửa điện µ-EDM)

 Mức độ biến dạng: Vì là biến dạng bề mặt nên mức độ biến dạng thường rất nhỏ Ít trường hợp xảy ra mức độ biến dạng cục bộ lớn gây phá hủy bề mặt sản phẩm

 Lực : Tuy mức độ biến dạng rất ít xong lực để làm biến dạng thì lại rất lớn

 Tạo hình: Việc tạo hình rất chính xác

1.3.3 Công nghệ Đúc

Một phương pháp dùng để tạo hình bề mặt kim loại có từ thời cổ xưa

đó là đúc: Công nghệ đúc là công nghệ chế tạo sản phẩm bằng phương pháp rót vật liệu ở dạng chảy lỏng vào khuôn để tạo ra sản phẩm có hình dạng theo khuôn mẫu Đa phần công nghệ đúc thực hiện với các vật liệu kim loại Đúc thông thường được thực hiện với các khuôn cát nên độ chính xác không cao

Ngày nay người ta sử dụng đúc trong khuôn kim loại Vật đúc đông đặc dưới tác dụng của trọng trường mà không chịu bất kỳ tác động nào khác Đây là phương pháp rất phổ biến hiện nay do nó có các đặc điểm sau đây:

 Khuôn được sử dụng nhiều lần;

 Độ sạch và độ chính xác được nâng cao đáng kể Điều này sẽ làm giảm khối lượng gia công cơ khí;

 Nâng cao độ bền cơ học của vật đúc, đặc biệt là độ bền ở lớp bề mặt tiếp giáp với khuôn kim loại

 Nâng cao sản lượng hàng năm do giảm được kích thước đậu ngót

và phế phẩm đúc

 Nâng cao năng suất lao động

 Tiết kiệm diện tích nhà xưởng do không cần chế tạo hỗn hợp làm khuôn và quá trình làm khuôn

 Giảm giá thành sản phẩm

 Dễ cơ khí và tự động hoá, điều kiện vệ sinh lao động tốt

Hình 1.19 Các loại huy chương

1.3.4 Các phương pháp thủ công

Ngoài các phương pháp được sử dụng bằng máy móc thiết bị hiện đại như trên thì còn có những phương pháp biến dạng bề mặt khác bằng thủ công như gò bằng tay Tuy vậy phương pháp này cho năng suất và chất lượng sản phẩm thấp nên ngày nay rất ít được sử dụng

Hình 1.21: Trống đồng gò bằng tay

: Hình 1.22 Cồng chiêng gò bằng tay

Hình 1.23 Mâm đồng tứ linh đường kính 1,2m gò bằng tay

Độ chính xác và sắc nét của phương pháp gò thủ công thường rất thấp Để nâng cao độ tinh xảo thường sau khi gò tay phải có một người thợ có tay nghề chỉnh sửa lại Công việc này có thể tốn rất nhiều thời gian Đến nay việc gò thủ công chỉ còn xuất hiện ở một số ít làng nghề tại Việt Nam

1.3.5 Dập nổi các chi tiết micro [7]

Nguyên công dập nổi trong micro tạo làm biến dạng cục bộ vật liệu, ra những biến dạng, hoa văn rất nhỏ và tinh xảo Những phần chi tiết rất nhỏ, mắt thường khó có thể quan sát được nên yêu cầu độ chính xác cực cao

Hình 1.24 Khuôn và thiết bị dập nổi

Họa tiết trên khuôn rất nhỏ bé nên việc tạo hình đôi khi không đơn giản

bở việc tạo hình chủ yếu chỉ diễn ra trên phạm vi cục bộ, có thể nói rành ở qui mô kích thước hạt biến dạng nên đôi khi lực biến dạng rất lớn mà vẫn không tạo ra được hình dạng sắc nét Trong nhiều trường hợp, dập nổi có thể được tiến hành ở trạng thái nóng, phôi được nung tới nhiệt độ tạo hình trực tiếp trên khuôn bằng dòng cảm ứng Do đó ta phải có một thiết bị nung riêng đặt ở bên ngoài Thiết bị dập tạo hình thường nhỏ, dạng để bàn Đầu trượt được dẫn động nhờ động cơ tuyến tính lắp ở phía trên

Dập nổi micro thường được sử dụng để tạo hình các chi tiết trong linh

1.4 Các phương pháp gia công khuôn

Đối với các chi tiết có kích thước lớn thì ta sử dụng các phương pháp gia công thông thường như phay,cắt dây…ngoài ra thì còn rất nhiều phương pháp khác để gia công bề mặt của khuôn có kích thước nhỏ như là phương pháp khắc xung điện,CNC,hoặc ăn mòn…

Đối với các chi tiết có kích thước cực nhỏ (cơ vài Micromet trở xuống) thì ta sử dụng các phương pháp đặc biệt để gia công khuôn (vi gia công): Công nghệ sản xuất vi gia công được định nghĩa như là những qui trình dùng để chế tạo những chi tiết, những hệ thống mà ở đó kích thước gia công được mô tả ở cấp độ micrometer Công nghệ vi gia công cũng có thể được mở rộng định nghĩa như là những quá trình sản xuất mà ở đó dụng cụ gia công nhỏ hơn 1mm Vi gia công thuộc nhóm công nghệ phi truyền thống Chúng có thể gia công những chi tiết có độ chính xác cao, với những cấu trúc vật thể 3D có kích thước ở cấp độ vi mô Với những kích thước này, các công nghệ gia công truyền thống không thể thực hiện được

Hình 1.25 Khuôn mico thực hiện bằng các phương pháp vi gia công

Công nghệ vi gia công đang được ứng dụng hầu hết trong các lĩnh vực công nghiệp như cơ khí chính xác, công nghiệp ôtô, công nghiệp đồng hồ, trong y học, trong những thiết bị cảm biến, điện tử Với công nghệ vi gia công đem lại năng suất cao và chi phí giá thành thấp Ngày nay nó đang được nghiên cứu và phát triển mạnh cho những ứng dụng sau: thiết bị về tim mạch, cấy ghép y khoa, thiết bị điện tử cầm tay, camera, thiết bị không dây, pin nhiên liệu vi mô, Lò phản ứng lưu chất vi hóa, các thiết bị vi trộn, vi van,

vi bơm, các cơ cấu sợi quang học, vi lỗ phun cho vòi phun nhiệt độ cao, vi khuôn, lắp ráp các thấu kính quang học, kỹ thuật in thạch bản tia X sâu

Một số công nghệ điển hình:

Micro EDM:

Micro-EDM (Micro Electro Dis-charge Machining) có khả năng sản xuất những cấu trúc vi mô có dạng rỗng bằng những vật liệu và silicon được quét sơn Độ chính xác của hình dáng chi tiết được xác định thông qua hình dạng của điện cực dụng cụ, quỹ tích di chuyển của nó, khoảng cách phóng điện giữa điện cực và chi tiết gia công Về bản chất, EDM là một quá trình gia công cơ - nhiệt - điện mà ở đó cho phép sử dụng khả năng xói mòn bằng

sự phóng điện, tạo lập giữa điện cực dụng cụ và điện cực chi tiết, để bóc đi vật liệu chi tiết gia công Micro-EDM có thể sản xuất được các đối tượng có hình dáng hình học 2 hoặc 3D Đặc biệt, nó có thể đạt được lỗ có đường kính

15 -300µm với dung sai nhỏ hơn +/- 1µm và các dạng bề mặt nhỏ phức tạp nhờ hệ thống CAD/CAM Tốc độ cắt (tốc độ bóc vật liệu) đạt khoảng 25 triệu µm3/s

Hình 1.26 Khuôn được phay vi mô với các phần tử micro

(phần tử nhỏ nhất: 0,05mm; nhám bề mặt Ra<0,15µm)

Trong công nghệ Micro-EDM, quan điểm là hạn chế năng lượng trong lúc phóng điện để chế tạo ra những đối tượng vi mô có bề mặt đạt độ chính xác cao Năng lượng trong mỗi lần phóng điện nên được cực tiểu trong khi tần số phóng điện được tăng lên Năng lượng trong mỗi lần phóng điện là 10-6J đến 10-7J Dưới những điều kiện ấy, nó có thể đạt được những bề mặt có

độ bóng Rmax= 0,01mm, bằng những năng lượng điện cực tiểu Quá trình Micro-EDM sản xuất rất nhiều chi tiết kim loại nhỏ, nhiều chi tiết nhỏ hơn

so với qui trình khoan và phay đã từng nhìn thấy

Quá trình gia công chính xác cao có thể thực hiện được mà không sử dụng lực ép lên trên vật liệu, bao gồm những bề mặt cong, bề mặt nghiêng và những tấm rất mỏng Micro-EDM có thể dễ dàng thực hiện gia công một lỗ

có độ sâu 15 -20 lần đường kính

Công nghệ MEMS:

Hệ thống vi - cơ - điện cho phép sử dụng công nghệ chế tạo vi gia công bằng cách tích hợp các phần tử cơ khí, những bộ cảm biến, bộ khuếch đại và điện tử trên lớp nền silicon Thiết bị của MEMS thì rất nhỏ Hơn nữa, MEMS đã từng chế tạo những sợi dây điện của động cơ nhỏ hơn đường kính

của sợi tóc Những cổng điện tử được chế tạo bằng cách sử dụng những quá trình mạch tích hợp (IC) liên tiếp như CMOS, Bipolar, hoặc quá trình BICMOS Những chi tiết vi mạch được chế tạo bằng cách sử dụng những qui trình vi gia công mà ở đó việc bóc ra những phần của tấm mỏng silicon hoặc thêm vào những lớp nền để hình thành nên những thiết bị cơ khí và thiết bị

cơ - điện

Hình 1.27 Bánh răng 2 bậc modun 0.1mm được gia công bằng micro EDM

Công nghệ MEMS đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghệ sinh học, công nghệ thông tin, thiết bị gia tốc kế MEMS cũng được sử dụng cho một loạt thiết bị từ những vật dụng trong gia đình cho đến các chi tiết trang trí trong ôtô

Công nghệ phay micro:

Công nghệ phay micro là một dạng công nghệ thu nhỏ của công nghệ phay thông thường mà ở đó sử dụng dụng cụ cắt gọt nhỏ hơn, cứng hơn hoạt động ở tốc độ cao được dùng trên máy có nhiều trục Phay micro có thể gia công với tốc độ quay của trục chính rất cao Chẳng hạn như máy phay vi mô Kern có thể sử dụng những lưỡi cắt có đường kính nhỏ 100µm, tốc độ 100.000 vòng/phút Độ chính xác gia công có thể đạt được dung sai 2 - 4µm

Khi tỉ lệ giữa diện tích bề mặt với thể tích lớn hơn kích thước vi mô, nhiệt phân tán rất nhanh trên bề mặt vật liệu, dụng cụ và ngay cả trên phoi

Hình 1.28 Mũi khoan micro có đường kính 0.25mm và ảnh lưỡi cắt phóng to

Phay vi mô vẫn được phát triển như là một qui trình chế tạo vi mô Nó

có tiềm năng đối với việc chế tạo những chi tiết theo lô với đặc trưng kích thước vi mô, chi phí thấp với việc quay vòng vốn nhanh so với những qui trình vi gia công khác

Vi Khoan:

Công nghệ vi khoan không chỉ yêu cầu mũi khoan nhỏ mà còn là phương pháp chuyển động quay tròn chính xác của mũi khoan vi mô và có chu kỳ khoan rất đặc biệt, được gọi là chu kỳ khoét (peck cycle), điều này giúp cho quá trình sản xuất những thành lỗ bằng phẳng

Những mũi khoan vi mô nhỏ nhất (nhỏ hơn 50µm) là một loại dao lạng mà ở đó không có đường rãnh xoắn ốc, khiến cho phôi thoát ra từ lỗ rất khó khăn Mũi khoan với đường kính 50µm hoặc nhỏ hơn có thể chế được chế tạo như một mũi khoan xoắn Có nhiều đặc tính hình dạng hình học quan trọng của mũi khoan vi mô dạng dao lạng Phần cuối cùng của lưỡi cắt của mũi khoan được gọi là lưỡi đục thay thế cho một điểm mũi Điều này tạo thành 2 mặt phẳng giao nhau, mà ở đó được định nghĩa là 2 lưỡi cắt chính của mũi khoan Lưỡi đục lấy vật liệu chủ yếu bằng quá trình cắt và đẩy ra

rất lớn so với lưỡi cắt chính của mũi khoan Do thiếu điểm mũi, mũi khoan

có thể trượt trên bề mặt ở vị trí bắt đầu quá trình khoan, kết quả là mũi khoan

dễ gãy hoặc tạo thành một lỗ nghiêng so với bề mặt chi tiết gia công Nhược điểm thứ 2 của lưỡi đục là quá dài so với đường kính mũi khoan, kết quả là lực đẩy dọc theo trục mũi khoan lớn

Mũi khoan vi mô hầu hết được chế tạo bằng thép cobalt hoặc car-bide tungsten Mũi khoan thép thì chi phí ít hơn và dễ dàng mài lại nhưng không cứng và bền bằng những dạng carbide tungsten Góc ở mũi khoan (đỉnh) phụ thuộc vào vật liệu chế tạo ra nó Thông thường góc ở đỉnh là 118 độ, với những vật liệu cứng thì góc ở đỉnh là 135 độ Mũi khoan vi mô nên được dùng trong chu kỳ khoét mà ở đó mũi khoan được chuyển động ra vô nhiều lần trong lỗ đang được khoan Điều này giúp cho việc làm sạch phoi ở bên trong lỗ Dung dịch làm mát cũng góp phần vào làm sạch phoi Lưu chất nên được phun vào ở dạng sương mù tốt hơn là ở dạng ứ đọng

Hầu hết khi khoan kim loại, tốc độ trục chính nằm trong khoảng từ

2000 - 4000 vòng/phút trong khi lượng chạy dao là 1µm cho mỗi vòng quay Các máy khoan micro CNC hiện nay có số vòng quay trục chính rất cao, ví

dụ như máy của hãng Datron (Mỹ) là 65.000 vòng/phút khoan các lỗ nhỏ đến 0,1mm

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DẬP NỔI

Có rất nhiều tài liệu trình bày về cơ sở lý thuyết về công nghệ dập tấm hay dập khối Tuy nhiên về những cơ sở lý thuyết về công nghệ dập nổi thì còn khá hạn chế Các kết quả nghiên cứu về công nghệ chủ yếu được trình bày trong các bài báo khoa học về hướng nghiên cứu chủ yêu hiện nay trên thế gới là công nghệ dập nổi Micro (Micro Embossing technology)

Đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là dập nổi các chi tiết mỹ thuật nên trong phần cơ sở lý thuyết sẽ tập trung xem xét những vấn đề sau: Sơ đồ công nghệ, đặc điểm công nghệ dập nổi, xác định thông số công nghệ cơ bản (lực dập nổi), khuôn dập nổi

Dập nổi có những đặc điểm sau:

- Biến dạng chỉ xảy ra cục bộ trên bề mặt tại những vị trí có họa tiết tạo hình

- Mức độ biến dạng tổng thì nhỏ nhưng xét tại một vị trí nào đó trên vùng tạo hình thì mức độ biến dạng có thể rất lớn phụ thuộc vào mức độ phức tạp cho họa tiết

- Chỉ có kim loại ở vùng tạo hình nổi mới biến dạng, những vùng xung quanh hầu như không có biến dạng, nên trong dập tấm hay dập khối không

có sự kéo hay bổ sung kim loại ở những vùng xung quanh vào khu vực tạo hình

- Tạo hình nổi chi tiết tấm thường xảy ra hiện tượng biến mỏng cục bộ mãnh liệt Tạo hình khối có thể xảy ra ở phạm vi một vài hạt kim loại ở khu vực tạo hình nếu họa tiết có kích thước chỉ một vài mm trở xuống tới µm

- Cần tự động hóa quá trình sản xuất nếu chi tiết tạo hình nổi có kích thước nhỏ

- Chi tiết bằng vật liệu cứng, khó biến dạng (thép) thì việc dập nổi thường chỉ là họa tiết đơn giản (như dập dấu), vật liệu thép tấm mỏng