Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng tạo hình của một số vật liệu kim loại tấm khi gia công bằng phương pháp spi

1.3 Mục tiêu nghiên cứu  Thiết lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với khả năng tạo hình, lượng phục hồi, chất lượng bề mặt và năng suất tạo hình các nhóm vật liệu tiêu biểu nh

1

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

1.1 Giới thiệu công nghệ biến dạng không khuôn SPIF

Năm 1967, Edward Leszak đã đưa ra giải pháp tạo hình tấm bằng công nghệ biến dạng không khuôn (IDF: Incremental Dieless Forming hay ISF Incremental Sheet Forming) có thể tạo hình dáng sản phẩm tấm bất kỳ, phù hợp với sản xuất nhỏ, đơn chiếc Từ 1990, công nghệ mới này bắt đầu được ứng

dụng trong sản suất

Phương pháp tạo hình tấm bằng biến dạng cục bộ liên tục (Incremental sheet forming - ISF), có thể tạo ra các hình dạng sản phẩm bất kỳ không đối xứng mà không dùng khuôn.ISF được phân thành hai loại khác nhau:

Single Point Incremental Forming (SPIF): dụng cụ tác dụng trên một

mặt của tấm còn mặt kia biến dạng tự do

Two Point Incremental Forming (TPIF): lực tạo hình tác dụng trên hai

mặt tấm, phải dùng thêm dưỡng gá cố định bên dưới bàn máy Luận án chỉ tập trung nghiên cứu phương pháp SPIF do phương pháp này đại diện cho công nghệ ISF: không cần dùng khuôn và có đồ gá đơn giản

1.2 Các thông số ảnh hưởng đến khả năng tạo hình trong SPIF

Có nhiều thông số ảnh hưởng đến khả năng tạo hình SPIF, có thể kể: 1- Module đàn hồi ES, hệ số Poisson S của vật liệu tấm;

2- Bề dày tấm ttrước khi gia công;

3- Module đàn hồi EP, hệ số Poisson p của vật liệu dụng cụ tạo hình; 4- Đường kính dụng cụ tạo hình D;

5- Số vòng quay n của trục chính mang dụng cụ tạo hình;

6- Vận tốc chạy dụng cụ Vxy trong mặt phẳng xy;

7- Lượng tiến dụng cụ xuống VZ theo chiều sâu;

2

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

9 Nhiệt độ tạo hình T

Loại trừ các yếu tố kém ảnh hưởng còn lại 4 thông số: V z , V xy , D, n có ảnh

hưởng nhiều nhất đến khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt của sản phẩm tấm nên được chọn làm thông số đầu vào

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

 Thiết lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với khả năng tạo hình, lượng phục hồi, chất lượng bề mặt và năng suất tạo hình các nhóm vật liệu tiêu biểu (nhôm, thép thường và thép không gỉ) dựa trên mô phỏng số và thực nghiệm

 Thiết lập phương trình hồi quy, tối ưu hóa các thông số công nghệ theo hàm mục tiêu là các thông số đầu ra mong muốn và xây dựng các công cụ tra cứu (phần mềm, biểu bảng) chế độ tạo hình SPIF theo các thông số đầu ra mong muốn để sử dụng trong thực tiễn

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Khả năng tạo hình của các nhóm vật liệu tiêu biểu

 Giới hạn phạm vi nghiên cứu: đầu dụng cụ hình cầu, vật liệu tấm được kéo theo 3 phương để lấy giá trị trung bình (2.6 [62]), bề dầy tấm xem như đồng đều Hệ số ma sát được xem như đồng đều và được bôi trơn tốt do dụng

cụ luôn ở vị trí thấp nhất nơi tồn đọng chất bôi trơn

1.5 Phương pháp nghiên cứu

 Phần mềm ABAQUS được sử dụng để thực hiện mô phỏng số quá trình tạo hình SPIF, xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với khả năng tạo hình và lượng phục hồi

 Thực nghiệm gia công mẫu trên máy SPIF chuyên dùng để kiểm chứng các kết quả mô phỏng số, đồng thời xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với độ nhấp nhô bề mặt và năng suất tạo hình

3

 Quy hoạch các kết quả thực nghiệm bằng tính toán và bằng phần mềm Minitab để thiết lập phương trình hồi quy, tối ưu hóa các thông số công nghệ theo hàm mục tiêu là các thông số đầu ra mong muốn, từ đó xây dựng các công

cụ (phần mềm, sổ tay) tra cứu chế độ gia công tạo hình SPIF để ứng dụng trong thực tế

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

 Thiết lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ (Vz, Vxy, D, n) với khả năng tạo hình, lượng phục hồi, chất lượng bề mặt và năng suất tạo hình các nhóm vật liệu tiêu biểu (nhôm, thép thường và thép không gỉ) dựa trên mô phỏng số và thực nghiệm, từ đó xác định các giá trị bù trừ sai số, phục vụ cho thực tế tạo hình bằng SPIF

 Tối ưu hóa các thông số công nghệ theo hàm mục tiêu là các thông số đầu ra mong muốn, từ đó xây dựng các công cụ tra cứu (phần mềm, biểu bảng) chế độ tạo hình SPIF theo các thông số đầu ra mong muốn để sử dụng trong thực tiễn

4

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SPIF BẰNG

PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Mục đích và yêu cầu

Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định mối quan hệ giữa các thông số đầu vào của công nghệ SPIF với các thông số mục tiêu cần khảo sát như khả năng tạo hình, độ chính xác tạo hình, độ nhấp nhô bề mặt và năng suất tạo hình đối với các vật liệu tiêu biểu (nhôm, thép thường và thép không gỉ) Ngoài ra nghiên cứu thực nghiệm còn được kiểm chứng với các kết quả mô phỏng số về khả năng tạo hình và độ chính xác tạo hình được thực hiện trong chương sau

2.2 Nghiên cứu thực nghiệm, thiết lập biểu đồ xác định khả năng tạo hình

2.2.1 Các thông số mục tiêu cần khảo sát:

Thông qua mục tiêu và yêu cầu của luận án, chọn được 4 thông số mục tiêu là khả năng tạo hình, độ chính xác tạo hình, độ nhấp nhô bề mặt và năng suất tạo hình:

5

2.2.3 Chọn phương pháp qui hoạch thực nghiệm

Do số thông số ảnh hưởng là k=4, trước tiên chọn qui hoạch thực nghiệm tuyến tính từng phần với 2 mức giá trị để giảm số lần thực nghiệm, nếu kết quả không phù hợp sẽ chuyển sang thực nghiệm toàn phần hoặc kết hợp qui hoạch phi tuyến Số mẫu là 2k-1=24-1=8 Số lần lặp được tính toán và chọn là 3, do

đó số mẫu cho một loại vật liệu là 8x3=24 mẫu

2.2.4 Chọn mức và mã hóa các thông số ảnh hưởng

Bảng 2.1 Bảng chọn mức và mã hóa thông số ảnh hưởng của 3 loại vật liệu

Nhôm A 1050-H14, dầy t=1mm Mức giá trị  z (mm) D (mm) V xy (mm/ phút) n(vòng/phút)

6

Bảng 2.2 Chế độ tạo hình trong thực nghiệm của 3 loại vật liệu

Nhôm A 1050-H14 Thép không gỉ SUS304

cụ D (mm)

Tốc độ tiến dụng

cụ V xy

(mm/phút)

Tốc độ quay trục chính n (vòng/phút)

Bước xuống dụng

cụ V z

(mm)

Đường kính dụng

cụ D (mm)

Tốc độ tiến dụng

cụ V xy

(mm/phút)

Tốc độ quay trục chính n (vòng/phút)

7

2.3 Kết quả thực nghiệm

2.3.1 Thông số kết quả thực nghiệm nhôm A 1050-H14

8

2.3.2 Thông số kết quả thực nghiệm thép tấm SS330

9

2.3.3 Thông số kết quả thực nghiệm thép không gỉ SUS304

10

2.5 Phân tích kết quả thực nghiệm: phương trình hồi qui

Với kết quả thực nghiệm nhận được,ứng dụng qui hoạch từng phần để được các phương trình hồi qui về mối quan hệ giữa thông số ảnh hưởng và các thông số cần khảo sát Phân tích PTHQ nhằm xác định ảnh hưởng của các yếu

tố công nghệ đến các thông số đều ra cũng được xét đến thông qua việc phân tích đạo hàm riêng phần

Bảng tổng kết các phương trình hồi qui của các vật liệu tấm tiêu biểu

Khả năng tạo hình (góc tạo hình 0

Lượng phục hồi D (mm)

 Nhôm A 1050 H-14

 ∆D =1.66 -0.44 z -0.069D -0.0002 Vxy -0,00007n +0,059 z.D +0,00003D.Vxy

 Để nâng cao độ chính xác tạo hình cần xét điều kiện nghịch biến của lượng phục hồi ∆D theo

z , D, V xy và n: Với đường kính dụng cụ lớn hơn 7,45 để giảm lượng phục hồi ∆D nhằm nâng cao độ chính xác kích thước theo phương hướng kính và độ chính xác hình học khi tạo hình nhôm ta cần chọn z càng lớn càng tốt, điều này làm tăng năng suất tạo hình Ngược lại khi dụng cụ có D<7,45 thì khi chọn lượng tiến dụng cụ z càng nhỏ càng tăng độ chính xác;

11

Với lượng tiến dụng cụ xuống z> 1,16 để giảm lượng phục hồi ∆D nhằm nâng cao độ chính xác kích thước theo phương hướng kính và độ chính xác hình học khi tạo hình nhôm ta cần chọn D càng lớn càng tốt Ngược lại khi chạy dụng cụ xuống chậm thì đường kính dụng

cụ phải càng nhỏ càng tốt; Với đường kính dụng cụ lớn hơn 6,66 để giảm lượng phục hồi ∆D nhằm nâng cao độ chính xác kích thước theo phương hướng kính và độ chính xác hình học khi tạo hình nhôm ta cần chọn V xy càng lớn càng tốt điều này làm tăng năng suất tạo hình Ngược lại khi dụng cụ có D<6,66 thì phải chọn lượng tiến dụng cụ V xy càng nhỏ càng tăng

 Thép không gỉ SUS304

 ΔD = 8,455 – 17,186 z – 0,707D – 15,814Vxy+ 1,907 z D + 0,0097 z Vxy+ 1,236D.Vxy

 Lượng phục hồi của thép không gì SUS304 không chịu ảnh hưởng bởi số vòng quay n của dụng cụ; lượng phục hồi phương hướng kính bé nhất thì z, D và Vxy càng bé càng tốt nhưng điều này cũng làm giảm năng suất tạo hình; lượng phục hồi theo phương đường kính đồng biến với đường kính D dụng cụ do đó để giảm lượng phục hồi hay nâng cao độ chính xác hình học và kích thước cần chọn D bé, điều này sẽ làm giảm năng suất tạo hình; lượng phục hồi nghịch biến với vận tốc Vxy thì đường kính dụng cụ D và lượng tiến dụng cụ z càng bé càng tốt Tóm lại, để tăng độ chính xác tạo hình của thép không gỉ SUS304 cần giảm vận tốc chạy dụng cụ V xy , đường kính D của dụng cụ và lượng tiến xuống z, còn số vòng quay của dụng cụ n không ảnh hưởng

Lượng phục hồi H (mm)

 Nhôm A 1050-H14

 ∆H =0,4 + 0,4225  z-0,076D+0,000312Vxy -0,00004n +0,121 D  z -0,0007  z Vxy +0,000018DVxy

 Với giá trị vận tốc Vxy cao, lượng phục hồi nghịch biến với z Vậy để tăng độ chính xác tạo hình cần tăng các lượng chạy dụng cụ V xy và z, điều này cũng làm tăng năng suất tạo hình; Lượng phục hồi theo phương ∆H của nhôm A 1050-H14 tỉ lệ thuận theo z và không chịu ảnh hưởng các thông số còn lại như D, V xy , n

 Lượng phục hồi theo phương ∆H của thép không gỉ SUS304 tỷ lệ thuận với đường kính D và

∆ z , tỷ lệ nghịch với V xy , không chịu ảnh hưởng n Do vậy, để tăng độ chính xác tạo hình hay giảm lượng phục hồi ta phải tăngVxy đồng thời giảm ∆z và đường kính D của dụng cụ

Độ nhấp nhô bề mặt cả 3 vật liệu nhôm A 1050-H14, thép tấm SS330 và thép không gỉ SUS 304,

tỷ lệ thuận với R z và tỷ lệ nghịch với đường kính D của dụng cụ Do đó, để sản phẩm được bóng cần giảm z và tăng đường kính D đều này làm tăng lực và công suất tạo hình đồng thời giảm năng suất;

Thép không gỉ SUS304 và thép tấm SS330 có độ nhấp nhô bề mặt tỷ lệ nghịch với Vxy và tỷ lệ thuận với số vòng quay n của trục chính, vì vậy để tăng chất lượng bề mặt sản phẩm thép không

gỉ SUS304 và thép tấm SS330 ta giảm n và tăng V xy ;

Nhôm A 1050-H14 ngược lại tỷ lệ nghịch với n và tỷ lệ thuận với V xy , vì vậy để tăng độ bóng cho bề mặt sản phẩm thép không gỉ SUS304 và thép mềm SS330 ta giảm Vxy và tăng tốc độ dụng

Tóm lại: Chương 2 thể hiện nội dung chính của luận án bao gồm nhiều vấn đề:

- Phân tích, loại trừ để chọn được 4 yếu tố ảnh hưởng chính là z, D, Vxy và

n đến các thông số cần khảo sát như khả năng tạo hình, lượng phục hồi, độ nhấp nhô bề mặt và năng suất tạo hình Trong đó yếu tố chính cần khảo sát là khả năng tạo hình thông qua góc biến dạng cực đại ;

- Chọn phương pháp thực nghiệm TNR với quy trình tính toán và kiểm tra các tiêu chuẩn Cochran, Student và Fisher để đạt được PTHQ tương thích;

- Phần mềm Minitab được dùng để hỗ trợ tính các phương trình hồi quy;

- Phân tích phương trình hồi quy dựa trên đạo hàm riêng phần Đưa ra các nhận xét và biện pháp nhằm nâng cao chất lượng của các thông số khảo sát

13

MÔ PHỎNG 3.1 Mục đích

Sử dụng phương pháp mô phỏng số của phần mềm ABAQUS để xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ như bước xuống z, tốc độ tiến dụng cụ Vxy, đường kính dụng cụ D và số vòng quay n của dụng cụ cho các vật liệu nhôm A1050-H14, thép tấm SS330 và thép không gỉ SUS304 với ứng suất

và biến dạng trong tấm Thông qua giới hạn phá hủy của vật liệu đã biết trước

từ dữ liệu của vật liệu nạp cho ABAQUS, giá trị ứng suất thực và biến dạng phương pháp mô phỏng số nhận được trên mẫu mô phỏng dùng để xác định:

- Góc giới hạn tạo hình tại vị trí mẫu rách trong mô phỏng do tại đó ứng suất vượt quá giá trị giới hạn

- Lượng phục hồi sau tạo hình thông qua việc so sánh biên dạng của tấm và biên dạng thiết kế từ Pro/ENGINEER Sai số giữa 2 biên dạng thực và thiết kế chính là lượng phục hồi được dùng làm giá trị bù trừ sai số khi tạo hình SPIF trong thực tế sản xuất

3.2 Biến dạng dẻo, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong vùng dẻo

Biến dạng dẻo là hiện tượng biến dạng không phục hồi, do đó định luật Hooke không còn đúng như đối với miền đàn hồi nữa Biến dạng dẻo được nghiên cứu trong bài toán SPIF vì đây một quá trình biến dạng dẻo phức tạp có

cả hiện tượng hồi phục sau tạo hình do tính chất đàn dẻo của vật liệu

Hình 3.1: Mô hình dẻo (c) được chọn do phù hợp kết quả của PTN Công nghệ

vật liệu

Hình 3.3: Mô hình mẫu sản phẩm tạo hình bằng mô phỏng SPIF

Hình 3.4: Mô hình chia lưới Hình 3.5: Mặt cắt ứng suất đi qua tâm

15

Giá trị này sẽ là sai số giữa đồ thị biểu diễn biên dạng khi mô phỏng và biên dạng vẽ bằng Pro/ENGINEER

Hình 3.6: Phân bố ứng suất trên tấm tại 3 độ sâu khác nhau

Hình 3.7: Biểu đồ phân bố ứng suất của các loại vật liệu cho các mô phỏng Hình 3.7 trình bày phân bố ứng suất trên đường dẫn ngang qua tâm của sản phẩm Mỗi trường hợp mô phỏng sẽ được vẽ biểu đồ phân bố ứng suất tại từng độ sâu cho đến khi có dấu hiệu vượt quá ứng suất phá huỷ của vật liệu trên mẫu đó tại độ sâu h, từ đó tính góc tạo hình lớn nhất đạt được

D (mm)

Tốc độ tiến dụng cụ V xy

(mm/phút)

Tốc độ quay trục chính n (vòng/ phút)

Góc tạo hình ( 0 )

Lượng phục

hồi ∆D (mm)

Lượng phục

D (mm)

Tốc độ tiến dụng cụ V xy

(mm/ phút)

Tốc độ quay trục chính n (vòng/ phút)

Góc tạo hình ( 0 )

Lượng phục

hồi ∆D (mm)

Lượng phục

D (mm)

Tốc độ tiến dụng cụ V xy

(mm/ phút)

Tốc độ quay trục chính n (vòng/ phút)

Góc tạo hình (0)

Lượng phục hồi

∆D (mm) phục hồi Lượng

∆H (mm)

D (mm)

Tốc độ tiến dụng cụ V xy

(mm/ phút)

Tốc độ quay trục chính n (vòng/ phút)

Góc tạo hình ( 0 )

Lượng phục hồi

18

Nhận xét:

- Ứng suất ở vùng giữa mặc dù không chịu lực tác dụng nhưng cũng bị biến động còn ứng suất tại các vách thành tăng dần từ vùng kẹp (vị trí 0 đến 5) và (vị trí 121 đến 125);

- Ứng suất đạt cực đại ở tạo hình gần như bằng nhau ở 2 thành vách mẫu sau

đó giảm nhanh về gần bằng 0 ở vùng giữa không chịu lực;

- Ứng suất trong thép không gỉ SUS304 cao nhất tại vùng biến dạng (~600 MPa) kế tiếp là thép tấm SS330 (~400 MPa) sau đó là nhôm A 1050-H14(<100 MPa) Điều này phù hợp với cơ tính của vật liệu: vật liệu càng cứng thì ứng suất càng lớn và ngược lại;

- Tất cả vật liệu kim loại (thép không gỉ SUS304, thép SS330 và nhôm A 1050-H14) thì vùng không biến dạng (vùng đáy mẫu côn) vẫn có ứng suất

3.5 So sánh kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng

Biểu đồ so sánh sai số góc tạo hình mô phỏng và thực nghiệm:

Nhôm A 1050-H14

20

- Kết quả mô phỏng khả năng tạo hình và lượng phục hồi của 3 loại vật liệu kim loại tấm được trình bày bằng kết quả số và đồ thị và được so sánh với kết quả thực nghiệm;

- Nhận xét, kết luận về ảnh hưởng của các thông số tạo hình đến góc giới hạn tạo hình và lượng phục hồi

D, Vxy và n) theo các giá trị mục tiêu đầu ra:

- Khả năng tạo hình lớn nhất (giá trị  cực đại)

- Độ chính xác kích thước và hình dạng cao nhất (D và H cực tiểu)

- Độ nhám bề mặt cao nhất (Rz cực tiểu)

- Năng suất tạo hình cao nhất (Thời gian tạo hình Tg cực tiểu)

Với kết quả tối ưu trên, luận án cũng sẽ xây dựng các công cụ (phần mềm, biểu bảng) tra cứu chế độ gia công tạo hình SPIF để phục vụ tạo hình tấm bằng công nghệ SPIF trong thực tiễn

4.2 Trình tự tối ưu hóa theo hàm mục tiêu

Bước 1: Thiết lập hàm mục tiêu:

Với khả năng tạo hình và độ chính xác hình học gây ra do lượng phục hồi cần phối hợp kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Với độ nhấp nhô bề mặt và năng suất tạo hình thì dùng các phương trình hồi quy thực nghiệm do mô phỏng không cho sản phẩm thực và thời gian tạo hình thực

Bước 2: Xác định các giá trị giới hạn và thường dùng của các thông số công

nghệ (z, D, Vxy, n)

Bước 3: Sử dụng Microsoft Excel/Data/ Solver để thực hiện bài toán tối ưu các

thông số đầu ra cho từng loại vật liệu với các giá trị biên thực tế của máy