A research on the influences of engineering parameters to the forming ability of metal sheet by SPIF technology

Tổng quát nội dung của luận án bao gồm một số điểm như sau: - Nghiên cứu thực nghiệm gia công mẫu trên máy SPIF chuyên dùng để xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với khả nă

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ KHÁNH ĐIỀN

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 SPIF

(A RESEARCH ON THE INFLUENCES OF ENGINEERING

PARAMETERS TO THE FORMING ABILITY OF METAL SHEET BY SPIF

TECHNOLOGY)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ KHÁNH ĐIỀN

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 SPIF

(A RESEARCH ON THE INFLUENCES OF ENGINEERING

PARAMETERS TO THE FORMING ABILITY OF METAL SHEET BY SPIF

TECHNOLOGY)

Mã số chuyên ngành: 62 52 04 01

Phản biện độc lập 1: PGS TS HÀ MINH HÙNG

Phản biện độc lập 2: PGS TS NGUYỄN VIỆT HÙNG

Phản biện 1: PGS TS LÊ CHÍ CƯƠNG

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án: Lê Khánh Điền

Lê Khánh Điền

và thép không gỉ SUS304 khi gia công bằng công nghệ tạo hình cục bộ liên tục đơn điểm (Single Point Incremental Forming - SPIF) Tổng quát nội dung của luận án bao gồm một số điểm như sau:

- Nghiên cứu thực nghiệm gia công mẫu trên máy SPIF chuyên dùng để xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với khả năng tạo hình (góc tạo hình ) và lượng phục hồi sau tạo hình (Springback), độ nhám bề mặt mẫu và năng suất tạo hình của các nhóm vật liệu nói trên

- Phần mềm ABAQUS được sử dụng để mô phỏng quá trình tạo hình SPIF nhằm xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với khả năng tạo hình (góc tạo hình

) và lượng phục hồi sau tạo hình của các nhóm vật liệu nói trên So sánh kết quả

mô phỏng với các kết quả thực nghiệm cũng được thực hiện để kiểm chứng tính hội

tụ giữa 2 phương pháp

- Kết quả thực nghiệm được kiểm chứng phương sai và qui hoạch thực nghiệm (với

sự trợ giúp của phần mềm Minitab) nhằm thiết lập phương trình hồi quy của các thông số mục tiêu Phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong các phương trình hồi qui bằng đạo hàm riêng phần để đánh giá chính xác mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với hàm mục tiêu của các nhóm vật liệu nói trên

- Tối ưu hóa các thông số công nghệ trong các phương trình hồi qui cũng được thực hiện nhằm lựa chọn các thông số công nghệ tối ưu để có được các giá trị mục tiêu mong muốn Việc xây dựng các công cụ (phần mềm, bảng biểu) tra cứu chế độ gia

of some typical metals such as aluminum A 1050 H14, mild steel SS330 and stainless steel SUS304 of the surface and the productivity) when forming metal sheet by Single Point Incremental Forming (SPIF) technology Overall, the content of the thesis concerned some following points:

 Experimental study of forming specimens in specific SPIF machine for defining the relations of the technological parameters to the ability of forming (forming angle

), the springback value after forming, the roughness of the surfaces and the productivities of formed sheet models of the mentioned typical metals

 Abaqus software is applied to simulate the process of forming sheet by SPIF in order

to define the relations among the parameters of forming with the ability of forming (angle ) and the springback phenomena of the mentioned typical metals The comparision of simulated result and empirical one is carried out to interpret the convergence of 2 methods

 The empirical results are analysed of variances and are designed of experiment (with the assistance of Minitab software) to establish the equations of recursion of the objective parameters Analysing the influences of technological parameters in the equations of recursion by patial differential method to have the authentic remark of the influences of the technological parameters

 The optimization of the technological parameters in the gained recursion functions

is also performed to get the optimal technological parameters according to the desired objective values The editing of a tool consultation (software, handbook) for

vi

LỜI CÁM ƠN

Luận án được hoàn thành nhờ sự giúp đỡ tận tình của các Thầy Cô hướng dẫn, các Thầy

Cô giảng viên Khoa Cơ khí, khoa Kỹ thuật Xây dựng Trường Đại học Bách khoa Tp

Hồ Chí Minh, cơ quan công tác, bạn bè đồng nghiệp và gia đình Xin chân thành cảm

ơn đến tất cả những tập thể và cá nhân đã giúp tôi trong thời gian vừa qua:

 Trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh;

 Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh;

 Phòng Quản lý Khoa học Sau Đại học Trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh đã tận tình hướng dẫn, bổ sung cập nhật những kiến thức, kinh nghiệm trong suốt quá trình thực hiện Luận án;

 Phòng thí nghiệm trọng điểm Điều khiển số và Kỹ thuật hệ thống đã tạo mọi điều kiện, động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện

Một lần nữa xin chân thành cảm ơn tất cả những tập thể và cá nhân đã hướng dẫn, giúp

đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất giúp tôi hoàn thành Luận án này Xin kính chúc quý Thầy

Cô, bạn bè và đồng nghiệp sức khỏe và thành đạt

vii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU xiv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xvi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 1

1.1 Công nghệ SPIF 1

1.1.1 Các phương pháp gia công tấm cổ điển 1

1.1.2 Nhu cầu và sự ra đời của công nghệ SPIF 1

1.1.3 Cơ sở tạo hình của công nghệ SPIF 3

1.2 Các thông số ảnh hưởng đến khả năng tạo hình (góc tạo hình ) trong SPIF 10 1.3 Thiết bị tạo hình bằng phương pháp SPIF 11

1.4 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước 12

1.4.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài 12

1.4.2 Các nghiên cứu trong nước 23

1.5 Nhiệm vụ nghiên cứu 24

1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu 24

1.5.2 Nội dung nghiên cứu 25

1.5.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 25

1.6 Phương pháp nghiên cứu 25

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 27

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU SPIF BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 29

2.1 Mục đích và yêu cầu 29

2.2 Quy hoạch thực nghiệm khả năng tạo hình (góc tạo hình ) tấm bằng công nghệ SPIF 30

viii

2.2.1 Các thông số cần khảo sát 30

2.2.2 Lựa chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm 31

2.2.3 Vật liệu tấm và mô hình mẫu thực nghiệm 32

2.3 Máy và và hệ thống công nghệ dùng tạo hình thực nghiệm SPIF 34

2.4 Hoạch định thực nghiệm 36

2.4.1 Chọn mức giá trị thực nghiệm của các thông số ảnh hưởng 36

2.4.2 Mã hóa các thông số ảnh hưởng 37

2.4.3 Thực hành tạo hình mẫu 41

2.5 Phân tích phương sai kết quả thực nghiệm & thiết lập phương trình hồi quy 42 2.5.1 Kết quả thực nghiệm và phân tích phương sai (Anova) 42

2.5.2 Phương trình hồi quy khả năng tạo hình (góc tạo hình ) 53

2.5.3 Phương trình hồi quy lượng phục hồi 57

2.5.4 Phương trình hồi quy độ nhám bề mặt tạo hình 63

2.5.5 Phương trình hồi quy thời gian tạo hình 65

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 69

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU SPIF BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ 71

3.1 Mục đích 71

3.2 Biến dạng đàn dẻo, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong vùng dẻo 71

3.2.1 Cơ sở lý thuyết tạo hình SPIF 73

3.2.2 Xác định cơ tính trung bình của vật liệu dị hướng trong mô phỏng 73

3.2.3 Các điều kiện biên trong mô phỏng cần phù hợp với thực nghiệm 73

3.2.4 Thống nhất các thông số tạo hình trong mô phỏng và thực nghiệm 73

3.2.5 Mẫu dùng trong mô phỏng 74

3.3 Quy trình khảo sát biến dạng dẻo trong SPIF bằng phần mềm ABAQUS 74

3.3.1 Xác định thông số ban đầu cho mô phỏng số 75

ix

3.3.2 Mô phỏng số, thiết lập biểu đồ xác định khả năng tạo hình (góc tạo hình

) 78

3.4 Phân tích kết quả 80

3.5 So sánh kết quả mô phỏng số và thực nghiệm 84

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 90

CHƯƠNG 4 THIẾT LẬP CHẾ ĐỘ GIA CÔNG TỐI ƯU THEO HÀM MỤC TIÊU VÀ XÂY DỰNG PHẦN MỀM TRA CỨU 92

4.1 Mục đích và yêu cầu 92

4.2 Phương pháp tối ưu hóa 92

4.3 Trình tự tối ưu hóa theo hàm mục tiêu 93

4.4 Tối ưu hóa các thông số công nghệ (chế độ gia công) theo hàm mục tiêu 93

4.4.1 Thiết lập chế độ gia công tối ưu theo khả năng biến dạng dẻo 94

4.4.2 Thiết lập chế độ gia công tối ưu theo giá trị phục hồi sau tạo hình 98

4.4.3 Thiết lập chế độ gia công tối ưu theo độ nhám bề mặt sản phẩm 100

4.4.4 Thiết lập chế độ gia công tối ưu theo năng suất tạo hình 100

4.5 Tra cứu chế độ gia công tạo hình SPIF để sử dụng trong thực tế 101

4.5.1 Xây dựng phần mềm tra cứu chế độ gia công tạo hình SPIF 101

4.5.2 Sơ đồ giải thuật 103

4.5.3 Giao diện 103

4.5.4 Giải thích giao diện 105

4.5.5 Cách sử dụng phần mềm tra cứu chế độ gia công 105

4.6 Xây dựng các công cụ biểu bảng tra cứu chế độ gia công tạo hình SPIF 105

4.6.1 Phương pháp thực hiện biểu bảng tra cứu 106

4.6.2 Các kiểu tra cứu bảng 106 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 108

x

5.1 Kết luận 108

5.2 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số 108

5.3 Kết quả tối ưu hóa và ứng dụng 110

5.4 Hướng phát triển của đề tài 111

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined

xi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Công nghệ Miết với sản phẩm tròn xoay 1

Hình 1 2 Sơ đồ tạo hình tấm bằng SPIF và TPIF [38] 3

Hình 1 3 Theo giản đồ ứng suất biến dạng - [67] của vật liệu dẻo 3

Hình 1 4 Sơ đồ tính ứng suất tại một điểm bất kỳ [52] 4

Hình 1 5 (a) Máy chuyên dùng ISF của công ty AMINO (b) Tạo hình SPIF bằng Tay máy, (c) và (d) máy SPIF 4 trụ và 2 trụ của DCSELAB 12

Hình 2 1 Mẫu côn cong và sơ đồ tính góc tạo hình α tại độ sâu z 33

Hình 2 2 Mẫu hình côn thẳng 34

Hình 2 3 Mẫu hình tháp cụt 34

Hình 2 4 Đồ gá kẹp mẫu đang kiểm tra trên máy chuyên dùng SPIF 35

Hình 2 5 Dụng cụ tạo hình và kẹp rút sử dụng trong thực nghiệm tại DCSELAB 35

Hình 2 6 Dữ liệu 3 nhóm vật liệu được chép vào Exel 45

Hình 2 7 Hộp thoại chọn Anova trong Data Analysis của Excel 46

Hình 2 8 Hộp thoại chọn vùng dữ liệu và các tùy chọn đề có kết quả Anova 46

Hình 2 9 Kết quả phân tích phương sai gủa góc  của 3 loại vật liệu 47

Hình 2 10 Phân tích Anova cho lượng phục hồi DD của 3 nhóm vat liệu, P-value rất bé 1,04.10-8 cho thấy kết quả thực nghiệm của DD có độ tin cậy cao 47

Hình 2 11 Kết quả phân tích phương sai Anova của DH bằng Excel, P-value rất bé 6,633.10-12 cho thấy kết quả thực nghiệm DH có độ tin cậy cao 48

xii

Hình 3 1 Mô hình biến dạng dẻo (c) được chọn do phù hợp với lý thuyết và kết quả kéo

thép không gỉ SUS304 tại PTN Công Nghệ Vật Liệu 72

Hình 3 2 Trình Job Manager xuất hiện khi đang chạy ABAQUS 78

Hình 3 3 Mặt cắt ứng suất đi qua tâm của sản phẩm 79

Hình 3 4 Biểu đồ phân bố ứng suất theo đường dẫn tại một độ sâu của dụng cụ 79

Hình 3 5 Phân bố ứng suất trên tấm tại 3 độ sâu khác nhau: tại độ sâu đường màu đỏ đã xảy ra phá huỷ vật liệu tại σ> 600 MPa ở vị trí A 80

Hình 3 6 Biểu đồ ứng suất của 3 loại vật liệu đạt giá trị giới hạn khi mô phỏng 82

Hình 3 7 So sánh biên dạng mô phỏng ABAQUS và biên dạng CAD của 3 loại vật liệu 83

Hình 3 8 Biểu đồ so sánh góc tạo hình mô phỏng và thực nghiệm  của 3 loại vật liệu 86

Hình 3 9 So sánh lượng đàn hồi theo phương hướng kính DD mô phỏng và thực nghiệm 87

Hình 3 10 So sánh lượng đàn hồi theo phương hướng kính DH giữa mô phỏng và thực nghiệm 89

Hình 4 1 Bảng tối ưu hóa cho nhôm A 1050-H14 bằng Solver 95

Hình 4 2 Lập điều kiện cho Solver Parameters 96

Hình 4 3 Kết quả Solver Result 96

Hình 4 4 Kết quả tối ưu hóa cho nhôm A 1050-H14 bằng Solver trong ô $F$3 là 80o giá trị maximun với các thông số tạo hình là Dz =0,10 mm, đường kính D=3mm, VXY=400m/ph và số vòng quay trục chính n =200vg/ph 97

Hình 4 5 Sơ đồ giải thuật phần mềm tra cứu thông số tạo hình 103

xiii

Hình 4 6 Giao diện phần mềm tra cứu thông số với 3 loại vật liệu 104

Hình 4 7 Tra cứu các thông số tạo hình của thép không gỉ SUS304 với các yêu cầu góc

tạo hình đạt tới gần 700, lượng phục hồi nhỏ hơn 0,5mm và độ nhám bề mặt khoảng

Rz20 104

xiv

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2 1 Giá trị 2 mức giới hạn của 4 thông số ảnh hưởng của 3 loại vật liệu tấm 36

Bảng 2 2 Bảng mã hóa thông số ảnh hưởng của nhôm A 1050-H14 38

Bảng 2 3 Bảng mã hóa thông số ảnh hưởng của thép kết cấu xây dựng SS330 38

Bảng 2 4 Bảng mã hóa thông số ảnh hưởng của thép không gỉ SUS304 39

Bảng 2 5 Mã hóa các thông số ảnh hưởng 39

Bảng 2 6 Chế độ tạo hình thực nghiệm (cũng dùng cho mô phỏng) của 3 loại vật liệu 40

Bảng 2 7 Kết quả thực nghiệm góc tạo hình nhôm A 1050-H14 42

Bảng 2 8 Kết quả thực nghiệm các thông số đầu ra của 3 loại vật liệu 43

Bảng 2 9 Phân tích Anova theo lý thuyết [66] 44

Bảng 2 10 Kết quả thực nghiệm giá trị trung bình và phương sai của góc tạo hình 49

Bảng 2 11 Hệ số phương trình hồi quy và hệ số Student tương ứng 50

Bảng 2 12 Các giá trị _ y và giá trị yˆ 51

Bảng 2 13 Ảnh hưởng cùa các thông số đối với góc tạo hình α là thông số chủ đạo với mục tiêu α lớn nhất 56

Bảng 2 14 Lượng phục hồi theo phương đường kính D với mục tiêu D min 60

Bảng 2 15 Ảnh hưởng của các thông số đến H với mục tiêu H min 63

Bảng 2 16 Trình bày ảnh hưởng của các thông số đến Rz với mục tiêu Rz min 65

Bảng 2 17 Trình bày ảnh hưởng của các thông số đế thời gian tạo hình Tg với mục tiêu Tg min 68

xv

Bảng 3 1 Cơ tính của 3 nhóm vật liệu sau khi đã làm thí nghiệm kéo mẫu theo 3 phương

và lấy giá trị trung bình (2.7 Phụ lục A1 [35]) 76 Bảng 3 2 Chọn thông số tạo hình phù hợp cho từng loại vật liệu 77 Bảng 3 3 Bảng tổng kết các thông số đầu ra là góc tạo hình và lượng phục hồi theo các thông số tạo hình khi tạo hình SPIF bằng mô phỏng 81 Bảng 3 4 Tổng kết kết quả thực nghiệmvà kết quả mô phỏng góc tạo hình bằng SPIF của 3 loại vật liệu 85 Bảng 4 1 Bảng tổng kết các phương trình hồi quy dùng tối ưu hóa 94 Bảng 4 2 Tổng kết tối ưu theo khả năng tạo hình (góc tạo hình ) của 3 loại vật liệu 97 Bảng 4 3 Tổng kết tối ưu theo lượng phục hồi theo phương hướng kính DD của 3 loại vật liệu 98 Bảng 4 4 Tổng kết tối ưu theo lượng phục hồi theo phương chiều sâu DH của 3 loại vật liệu (Phụ lục C) 99 Bảng 4 5 Tổng kết tối ưu theo độ nhám bề mặt của 3 loại vật liệu 100 Bảng 4 6 Tổng kết tối ưu theo năng suất tạo hình của 3 loại vật liệu (Phụ lục C) 101

xvi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu Tên đầy đủ, thường gặp/ theo ISO Giải thích ý nghĩa

αmax Góc biến dạng giới hạn tạo hình

Góc nhọn lớn nhất hợp bởi bề mặt tấm được tạo hình và phương ngang

mà tấm không bị rách

 Hệ số ma sát giữa tấm dụng cụ tạo hình Được bôi trơn tốt

s Hệ số Poison của vật liệu tấm

p Hệ số Poison của vật liệu dụng cụ

Dz Bước xuống dụng cụ sau mỗi lớp (mm)

A 1050-H14 Hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn Nhật JIS

[43]

ABAQUS Phần mềm FEM của Dassault Systemes

CATIA Phần mềm CAD CAM của Dassault

Systèmes

Computer Aided dimensional Interactive Application

Three-CCRD Central Composite Rotational Design

D Đường kính dụng cụ tạo hình (mm)

DCSELAB Digital Control and System

Engineering laboratory

Phòng thí nghiệm điều khiển số và kỹ thuật hệ thống

DIC Digital Image Correlation Liên kết ảnh kỹ thuật số

F Số bậc tự do trong qui hoạch

FEA Finite Element Application Ứng dụng phần tử hữu

hạn FEAP Finite Element Application Program

Phần mềm giả các bài toán phương pháp phần

tử hữu hạn

hữu hạn

FLD Forming Limit Diagram Biểu đồ giới hạn biến

dạng

tốc độ cao

xvii

Ký hiệu Tên đầy đủ, thường gặp/ theo ISO Giải thích ý nghĩa

ISF Incremental Sheet Forming

Công nghệ tạo hình kim loại tấm bằng biến dạng cục bộ liên tục

K Số yếu tố ảnh hưởng trong qui hoạch

k Hệ số mũ của công thức ứng suất trong

QHTN Quy hoạch thực nghiệm

R Bán kính biên dạng côn cong

toán Sức bền vật liệu

S4R 4-node general-purpose shell, reduced

integration

Phần tử vỏ tổng quát 4 nút, giản lược tích hợp SBA Sparse Bundle Adjustment Điều chỉnh các chùm SPIF Single Point Incremental Forming Công nghệ biến dạng cục

bộ liên tục đơn điểm Springback Lượng phục hồi sau tạo hình

Substructuring Phân nhỏ cấu trúc

SS330 Thép tấm, tiêu chuẩn Nhật JIS G 3101

Tg Thời gian tạo hình (phút)

TNR Quy hoạch thực nghiệm yếu tố riêng

phần TNT Quy hoạch thực nghiệm yếu tố toàn phần

xviii

Ký hiệu Tên đầy đủ, thường gặp/ theo ISO Giải thích ý nghĩa

TPIF Two Point Incremental Forming Công nghệ biến dạng cục

bộ liên tục hai điểm

Vxy

Vận tốc tiến dụng cụ trong mặt phẳng ngang (mm/phút)

D độ chênh lệch của đại lượng đo với kỳ

vọng toán nhỏ hơn 0,05

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

1.1 Công nghệ SPIF

1.1.1 Các phương pháp gia công tấm cổ điển

Công nghệ gia công kim loại tấm ra đời từ lâu với các sản phẩm phục vụ nông nghiệp, gia dụng, nhưng phải chờ đến thế kỷ thứ 18 khi cuộc cách mạng kỹ nghệ cơ khí phát triển tại Anh thì công nghệ gia công tấm không khuôn mới được nghiên cứu sâu về lý thuyết và ứng dụng với nhiều phương pháp như gò và miết (Spinning) tạo biến dạng cho tấm dưới áp lực của con lăn hay đầu điểm ép và trượt trên bề mặt phôi quay tròn cho sản phẩm có dạng tròn xoay Miết có con lăn được phát triển để thay ma sát trượt bằng

ma sát lăn Tuy nhiên, phương pháp miết chỉ chế tạo được các chi tiết tròn xoay (hình 1.1) chưa thể tạo hình các sản phẩm có hình dạng bất kỳ

1.1.2 Nhu cầu và sự ra đời của công nghệ SPIF

Các phương pháp gia công tấm cổ điển được sử dụng hiệu quả trong sản xuất hàng loạt lớn Đối với các sản phẩm tấm có hình dạng phức tạp, nhưng sản lượng đơn chiếc, chế tạo thử thì chi phí chế tạo khuôn rất tốn kém, không đủ bù chi phí ban đầu Vì vậy, từ

Hình 1 1 Công nghệ Miết với sản phẩm tròn xoay

2

thập niên 60 của thế kỷ 20, các nhà công nghệ đã cố gắng tìm kiếm các biện pháp gia công hiệu quả, phù hợp hơn Năm 1967, lần đầu tiên Edward Leszak (Mỹ) đã đưa ra phương pháp tạo hình “Single Point Incremental Forming”- SPIF bằng cách điều khiển quĩ đạo của dụng cụ tạo hình để tạo hình sản phẩm tấm Mặc dù nhận được bằng sáng chế năm 1967 [13] nhưng lúc đó công nghệ này chưa hiện thực được do kỹ thuật điều khiển thời đó còn thô sơ, phải chờ đến thập niên 90, khi kỹ thuật điều khiển số và sự xuất hiện các máy gia công CNC thì SPIF mới bắt đầu được nghiên cứu trong các viện nghiên cứu, các trường đại học và sau đó chiếm một vị trí quan trọng trong sản xuất Đây là một nhánh của phương pháp tạo hình tấm bằng biến dạng cục bộ liên tục ISF, có thể tạo ra các hình dạng sản phẩm bất kỳ không đối xứng mà không dùng khuôn ISF được phân biệt thành hai phương pháp khác nhau:

Single Point Incremental Forming (SPIF): công nghệ tạo hình cục bộ liên tục

đơn điểm, có dụng cụ tác dụng trên một mặt của tấm còn mặt kia biến dạng tự do Phương pháp này không cần dùng khuôn có hình dạng của sản phẩm mà chỉ cần có tấm tựa dưới có cùng chu vi với sản phẩm và tấm kẹp trên để cố định phôi tấm cần tạo hình (hình 1.2a) Dụng cụ tạo hình có đầu hình bán cầu không có lưỡi cắt di chuyển theo quĩ đạo của biên dạng sản phẩm nhờ máy CNC hay máy chuyên dùng SPIF điều khiển Hầu hết các công trình nghiên cứu hiện nay đều tập trung vào SPIF do công nghệ này được xem như đại diện cho ISF [65]

Two Point Incremental Forming (TPIF): tạo hình bằng biến dạng cục bộ liên tục

hai điểm, lực tạo hình tác dụng trên cả hai mặt của tấm do ngoài tấm tựa dưới như SPIF, TPIF còn cần dùng thêm dưỡng tạo phần lồi cho sản phẩm [38] 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 (hình 1.2b) TPIF có thể tạo hình tấm vừa lõm vừa lồi nhưng cần phải chế tạo thêm dưỡng và đồ gá phải có chuyển động lên xuống cùng với dụng cụ

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

3

Cơ sở tạo hình của công nghệ SPIF

Hình 1 3 Giản đồ ứng suất biến dạng - [33] của vật liệu dẻo

Khi ngoại lực tác dụng tạo ứng suất còn trong nằm trong miền đàn hồi, tức ứng suất còn nhỏ hơn giới hạn chảy (Yield point) thì tấm có biến dạng đàn hồi, ta không thể tạo hình được vì khi bỏ lực thì tấm sẽ trở lại hình dáng cũ Phải tăng ngoại lực để ứng suất nằm trong vùng chảy Y <  < u tức là lớn hơn ứng suất chảy Y và nhỏ hơn ứng suất phá hủy U thì tấm kim loại mới có thể biến dạng, tức là có thể tạo hình được Ứng suất không được vượt giá trị ứng suất phá hủy U vì sẽ gây vết nứt hay gẫy vỡ trên vật liệu Vùng ứng suất được phóng to lên trên đồ thị 1.3 là vùng chảy dẻo của kim loại, đây chính là vùng có khả năng tạo hình (góc tạo hình ) bằng biến dạng dẻo

(a) Sơ đồ tạo hình tấm bằng SPIF (b) Sơ đồ tạo hình tấm bằng TPIF

Hình 1 2 Sơ đồ tạo hình tấm bằng SPIF và TPIF [38]

4

Biến dạng dẻo trong tinh thể của kim loại chủ yếu được gây ra do cơ chế biến dạng trượt mạng tinh thể Trượt là biến dạng trượt trong đó nguyên tử di chuyển qua nhiều lần khoảng cách giữa các nguyên tử so với vị trí ban đầu do vậy ứng suất tiếp rất quan trọng trong tạo hình bằng biến dạng dẻo Tinh thể chứa các mặt phẳng nguyên tử phân bố đều và có tổ chức trên phạm vi lớn do đó các mặt phẳng này có thể trượt trên nhau dọc theo phương của ngoại lực tác dụng Hệ quả là sự thay đổi vĩnh viễn của hình dạng lưới bên trong tinh thể gây nên biến dạng dẻo, không thể trở về hình dáng ban đầu

Sự tồn tại của các sai lệch làm tăng khả năng trượt của các mặt Nêu bên trong vật liệu

có các khuyết tật thì có thể gây trở ngại cho sai lệch mạng hay ngăn chúng trượt làm biến dạng dẻo bị giới hạn vào một vùng nhất định bên trong vật liệu [33]

Tuy công nghệ tạo hình tấm ra đời trên 20 năm nay nhưng mãi đến năm 2008 thì các tác giả P.A.F Martins , N Bay, M Skjoedt và M.B Silva mới ra một cơ sở lý thuyết [52] cho công nghệ tạo hình tấm này Ngày nay, bài báo này được xem như là cơ sở lý thuyết của tạo hình SPIF tạm được chấp nhận, có thể tóm tắt như dưới đây:

Hình 1 4 Sơ đồ tính ứng suất tại một điểm bất kỳ [52]

5

Trong [52] các tác giả đã tính ứng suất tại một điểm bất kỳ tại vùng phẳng của tấm và vùng góc được mô tả trong hình 1.4 với các kết quả các ứng suất tại một điểm bất kỳ được các tác giả tính toán và so sánh với ứng suất gây ra do dập truyền thống các

bề mặt tròn xoay, ứng suất thủy tĩnh cũng được quan tâm và được trình bày trong bảng sau [52]:

Trong đó:

Hệ tọa độ tham chiếu là hệ tọa độ cầu với tâm nằm trên trục đối xứng của vật tạo hình:

: tọa độ góc mặt cầu trong mặt phẳng ngang,

: tọa độ góc mặt cầu trong mặt phẳng đứng,

t: tọa độ theo phương tiếp tuyến với mặt cầu,

- Các trạng thái biến dạng tại điểm bất kỳ:

d = - d >0 biếndạng trong mặt phẳng ngang của tọa độ cầu thì dương và có giá trị đối ngược lại biến dạng trong mặt phẳng đứng

dt biếndạng theo phương tiếp tuyến luôn luôn âm

- Các trạng thái ứng suất tại điểm bất kỳ:

6

Ứng suất theo 3 tọa độ cầu luôn là hằng số và bằng ứng suất chính và chỉ phụ thuộc ứng suất chảyY của vật liệu tấm, bề dày tấm t (theo ký hiệu của [52]) và bán kính dụng cụ rtool mà không phụ thuộc vào tọa độ vị trí điểm đang tạo hình

Các tác giả cũng đưa ra ứng suất thủy tĩnh m trong 3 trường hợp tạo hình SIF tại

vị trí phẳng, tạo hình SPIF tại vị trí các góc sản phẩm và dập truyền thống cũng đều chỉ chịu ảnh hưởng của ứng suất chảy Y của vật liệu tấm bề dày tấm t và bán kính dụng cụ rtool

- Ứng suất tại tọa độ bất kỳ (,, t) lại bằng ứng suất chính i (i=1,2,3) tại điểm

đó nên ứng suất tiếp luôn bằng không tại điểm tạo hình

Mô hình tính lực thứ nhất

Mô hình lý thuyết đơn giản để định các thành phần lực tạo hình trong ISF [54] Trong phần sau đây, mô hình sau cùng được mở rộng để xem xét tính đàn hồi không đẳng hướng

Để tính toán đàn hồi không đẳng hướng, tiêu chuẩn hiệu suất bậc hai và cao hơn của Hill được sử dụng để mô tả tính không đẳng hướng này Hàm ước lượng thành phần tải trọng Fx và Fz được cho như sau [54]:

x o

n

a

a t

x

e t R

R RK

Mô hình thứ hai dùng để tính hai thành phần lực Fz, Fx được đưa ra trong [25]

Hình 1.6 Mô hình dùng ước lượng lực dọc trục (a) và lực trong mặt phẳng ngang (b)

Trong hình 1.6 (a), dụng cụ di chuyển bình thường tới bề mặt tấm, gây một biến dạng bán cầu lên bề mặt tấm; hình 1.6 (b), trong suốt quá trình biến dạng, dụng cụ di chuyển trong mặt phẳng ngang tạo ra một rãnh lõm

Cho bán kính dụng cụ là R, giới hạn chảy là  y , chiều dày vật liệu là t, nửa góc côn tạo hình  / 2bị giới hạn bởi sự tiếp xúc giữa dụng cụ và tấm gia công Lực dọc trục được ước lượng cho trường hợp (a) là:

sin( / 2)

Thành phần tải trọng tạo hình Fz (theo hướng dọc trục) và Fx (hướng di chuyển dụng cụ) trong mối quan hệ với chiều sâu gia công được cho trên hình 2.6

Trên hình 1.7 các thành phần lực tạo hình Fx, tương đương với những giá trị khác

nhau của thông số dị hướng đàn hồi R a Trong trường hợp R a= 1 (vật liệu đẳng hướng), kết quả đạt được từ mô hình thí nghiệm và mô hình của Iseki phù hợp

Hình 1.7 Đồ thị biến thiên những thành phần lực tạo hình theo chiều sâu gia công

10

Hình 1 8 Ảnh hưởng của tính dị hướng đàn hồi lên tải trọng tạo hình Fx

Có thể thấy trên hình 1.8 rằng ảnh hưởng của tính dị hướng đàn hồi đến khả năng tạo hình vật liệu rất quan trọng Thành phần tải trọng tạo hình Fx tăng theo giá trị tăng

lên của thông số dị hướng R a

1.2 Các thông số ảnh hưởng đến khả năng tạo hình (góc tạo hình ) trong SPIF

Các nghiên cứu trong [38], [56], [19], [59], [8] và [14] cho thấy một số trong số các thông số sau đây có ảnh hưởng đến khả năng tạo hình (góc tạo hình ) và độ nhám bề mặt của sản phẩm tấm khi tạo hình bằng SPIF:

(1) Module đàn hồi E, hệ số Poisson  của vật liệu tấm;

(2) Bề dày tấm w trước khi gia công;

(3) Đường kính dụng cụ tạo hình D;

(4) Số vòng quay n của trục chính mang dụng cụ tạo hình;

(5) Vận tốc chạy dụng cụ Vxy trong mặt phẳng xy;

11

(6) Lượng tiến dụng cụ xuống Dz theo chiều sâu;

(7) Hệ số ma sát  giữa tấm và dụng cụ tạo hình;

(8) Nhiệt độ tạo hình T

Sau khi loại trừ các thông số ít ảnh hưởng (noise factors) bằng nhiều biện pháp như quy

hoạch chọn lọc, qui hoạch đơn thông số… [47] chỉ còn 4 thông số là bước xuống Dz, tốc độ tiến dụng cụ V xy , đường kính dụng cụ D, số vòng quay n của dụng cụ có ảnh

hưởng nhiều nhất đến khả năng tạo hình (góc tạo hình ) và độ nhám bề mặt của vật liệu tấm kim loại Đây là các thông số có thể điều khiển, được chọn làm thông số đầu vào

Ngoài khả năng tạo hình là mục tiêu chính của luận án, một số thông số đầu ra có liên quan đến chất lượng sản phẩm cũng được khảo sát:

-Độ nhám bề mặt sản phẩm Rz: là thông số đầu ra thể hiện một phần chất lượng sản phẩm, Rz được nhận định ban đầu độc lập với khả năng tạo hình (góc tạo hình ) -Lượng phục hồi theo phương đường kính DD và phương chiều sâu DH cũng là thông

số đầu ra thể hiện độ chính xác kích thước, là một phần của chất lượng sản phẩm DD,

DH được nhận định ban đầu độc lập với khả năng tạo hình (góc tạo hình )

-Thời gian tạo hình Tg là thông số đầu ra thể hiện năng suất tạo hình của công nghệ SPIF, Tg cũng được nhận xét sơ bộ là độc lập với góc tạo hình 

Các thông số đầu ra này được đưa vào cùng với thông số chính là khả năng tạo hình để hình thành bài toán đa mục tiêu, giúp phạm vi nghiên cứu tiệm cận với thực tế nhưng không làm tăng thêm nhiều chi phí thực nghiệm

1.3 Thiết bị tạo hình bằng phương pháp SPIF

Trong giai đoạn đầu, các nhà nghiên cứu dùng máy phay CNC để tạo hình ISF Sau đó, dần dần đã xuất hiện một số máy chuyên dùng như máy ISF của AMINO corp., Ford,

12

Honda, BMW [65] , trong vòng 3 năm gần đây DCSELAB đã tự thiết kế và chế tạo một vài máy SPIF chuyên dùng (hình 1.3 c và d) phục vụ cho nghiên cứu thực nghiệm

1.4 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước

1.4.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài

Công nghệ SPIF do Leszak [13], [65] phát minh năm 1967 đã được quan tâm nhiều từ năm 1995 với các nghiên cứu tìm hiểu quá trình biến dạng và xây dựng mô hình cho SPIF [14], [15], Tập đoàn Amino Nhật Bản đã ứng dụng ISF để tạo mẫu cho đầu xe điện Shinkansen Từ năm 2003, các nhà nghiên cứu tập trung khảo sát khả năng tạo hình (góc tạo hình ), lực tác dụng và độ chính xác tạo hình của SPIF Từ năm 2005 đến nay,

(a) (b)

(c) (d)

Hình 1 9 (a) Máy chuyên dùng ISF của công ty AMINO (b) Tạo hình SPIF bằng

Tay máy, (c) và (d) máy SPIF 4 trụ và 2 trụ của DCSELAB

1.4.1.1 Các nghiên cứu sử dụng phương pháp giải tích để khảo sát SPIF

Các công trình nghiên cứu tạo hình tấm bằng công nghệ SPIF bằng phương pháp giải tích rất hiếm, điểm qua một số công trình trong vòng 10 năm nay có thể kể đến:

 Công trình [38] đã đưa ra công thức tính ứng suất pháp tại một điểm bất kỳ, nhưng lại xem là ứng suất chính tại điểm đó và tỷ lệ nghịch với bề dày tấm Ứng suất tiếp xem như bằng 0, điều này không phù hợp với thực tế kỹ thuật

 Trong [50] các tác giả đã dùng phương pháp giải tích kết hợp với điều kiện thực nghiệm để thiết lập các công thức ảnh hưởng giữa các thông số công nghệ Các công thức giải tích chưa thể hiện được mối quan hệ động lực học do nhiều lý

do trong đó có sự hạn chế của công cụ toán học Giả thiết dụng cụ tạo hình cứng tuyệt đối được sử dụng

 Năm 2008 các tác giả trong [52] đã cố gắng tổng hợp tất cả các nghiên cứu trong

10 năm về phương pháp tạo hình mới này Bài báo cũng đã dùng giải tích như một phương tiện để giải thích tính dẻo của mô hình biến dạng cục bộ liên tục SPIF Tuy nhiên, việc giả thiết các thành phần ứng suất pháp ở vị trí bất kỳ trong vùng tạo hình là hằng số và được áp đặt thành ứng suất chính chưa thể hiện được đúng bản chất của bài toán

 Trong [63] các tác giả có nhắc lại công thức giải tích trong [52] và dùng nó như một cơ sở để phát triển cho ứng suất của vật liệu nhựa Nhận xét: cũng giống như trong [52] các tác giả cho rằng ứng suất tại một điểm trong vùng tạo hình

là hằng số và cũng là ứng suất chính tại điểm đó Điều này không hợp lý và không giải thích được cơ chế phá hủy vật liệu dựa trên lý thuyết giải tích

14

1.4.1.2 Các nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số để khảo sát SPIF

Bên cạnh các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và giải tích, ngày nay ngày càng có nhiều nhóm nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng số Ưu thế của phương pháp này là:

- Có thể chạy giả lập tạo hình với bất kỳ vật liệu, bề dày, công suất nào mà không

bị giới hạn bởi thiết bị;

- Không tốn kém vật liệu tấm và dụng cụ tạo hình cũng như hao tốn công suất máy

và thiết bị;

- Có thể giải các bài toán phức tạp mà phương pháp giải tích không giải được, đồng thời cũng không cần máy móc, vật liệu và đo đạc, xử lý kết quả như phương pháp thực nghiệm

Tuy nhiên, phương pháp mô phỏng số cũng có một số nhược điểm sau:

- Phụ thuộc tốc độ và khả năng của máy tính, phần mềm ứng dụng;

- Cần có một số giả thiết ban đầu (như dụng cụ cứng tuyệt đối) để đơn giản bài toán và giảm thời gian chạy máy;

- Không thể khảo sát độ nhám bề mặt, năng suất tạo hình của sản phẩm như phương pháp thực nghiệm do không tạo ra sản phẩm thực

Một số công trình nghiên cứu công nghệ SPIF bằng mô phỏng số tiêu biểu:

- Trong [14], các tác giả đã xây dựng mô hình SPIF dạng côn cong và tháp cụt, sử dụng đồng thời phương pháp thực nghiệm và giả lập mô phỏng số để khảo sát SPIF cho hợp kim nhôm AA3003-O, so sánh với giản đồ FLD Áp dụng phương pháp chia lưới phù hợp nhằm nâng cao độ chính xác kích thước sản phẩm với đường kính dụng cụ tạo hình 10 và 25, chi tiết hình nón cụt Ứng suất tiếp xúc được phân bố trong nhiều điều kiện khác nhau, hệ số ma sát được chọn là

=0,05 Kết quả được cho dưới dạng các giản đồ phân bố ứng suất tiếp xúc

- Trong [22] các tác giả đã dùng PPPTHH để giả lập, mô phỏng số trên phần mềm CATIA nhằm nghiên cứu các ảnh hưởng của bề dày tấm với quy luật sin, đường chạy dụng cụ đến lực trên dụng cụ và độ nhám bề mặt sản phẩm Nghiên cứu cho thấy rằng bề dày tấm tỷ lệ thuận với lực tạo hình điều này phù hợp với kết quả tính ứng suất của luận án ở phần sau Nhận xét: bài báo đưa ra nhiều nhận định xác đáng nhưng chỉ tập trung giới thiệu quy trình giả lập mô hình như tạo lưới, định nghĩa đường chạy dao mà chưa quy hoạch thực nghiệm kết quả giả lập thành phương trình hồi quy

- Trong [2] các tác giả dùng thuật toán Substructuring để chia lưới không đều Cấu trúc phụ bao gồm việc chia bề mặt thành lưới không trùng lắp nhau và được chia làm 2 nhóm: dẻo phi tuyến và đàn hồi tuyến tính Các cấu trúc phụ được xếp vào loại đàn dẻo khi giả lập chuyển động của dụng cụ Nhờ phần mềm ABAQUS mà các ma trận độ cứng và ứng suất được cập nhật sau mỗi bước nên kết quả gần với thực tế hơn, kết hợp được cấu trúc dẻo và đàn hồi của vật liệu Vùng ở xa dụng

cụ tạo hình, tấm chịu biến dạng đàn hồi còn vùng gần dụng cụ tấm chịu biến dạng dẻo Công trình cũng giả thiết dụng cụ tạo hình cứng tuyệt đối và chưa thiết lập được mối quan hệ giữa giá trị lực và công suất tạo hình với các thông số điều khiển mà chỉ quan tâm đến thời gian chạy giả lập

- Trong [29], các tác giả đã nghiên cứu phân bố ứng suất giữa tấm và dụng cụ, sử dụng phương pháp chia lưới phù hợp nhằm nâng cao độ chính xác kích thước sản phẩm với đường kính dụng cụ là 10 và 25mm, sản phẩm có hình nón cụt Kết quả cho thấy khi áp dụng chia lưới phù hợp cho nhiều vật liệu hợp kim nhôm, ứng

16

suất tiếp xúc được phân bố trong nhiều điều kiện khác nhau, hệ số ma sát =0.05,

độ chính xác về ứng suất càng cao khi lưới càng mịn

- Trong [6] các tác giả đã sử dụng bài toán ngược để điều chỉnh chính xác thông

số vật liệu trong mô phỏng biến dạng tạo hình SPIF, sử dụng FEM và thí nghiệm tuyến tính đơn giản, phù hợp với thông số vật liệu và ứng suất dị hướng Với vật liệu là hợp kim nhôm AA3103, các thông số lựa chọn và trạng thái biến dạng có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh vật liệu và độ chính xác của lực Nhận xét: do tác giả xác định vật liệu trong mô phỏng số khác nhiều so với thực nghiệm nên công trình phải sử dụng kết quả thực nghiệm của trường ứng suất và biến dạng để tiên đoán lực chính xác hơn

- Trong công trình [44] các tác giả đã sử dụng kỹ thuật liên kết hình ảnh kỹ thuật DIC để tìm hiểu sâu về cơ chế biến dạng trong SPIF Giả lập biến dạng, đo biến dạng bằng DIC và tiên đoán bằng FEM cho sản phẩm có góc nón nhỏ Nhận xét: đây là bài báo kết hợp phương pháp thực nghiệm và phương pháp số cho kết quả chuyển vị và lực trong mô phỏng số và thực nghiệm tương đối phù hợp, nhưng giá trị biến dạng thì khác nhau vì DIC và ABAQUS dùng kiểu tính biến dạng khác nhau, điều kiện biên của các nút vùng kẹp không được xác định trong thực nghiệm Do chuyển động chạy ngang của dụng cụ tạo hình trên tấm gây ứng suất nén nên cần phải hoàn thiện mô hình phần tử hữu hạn cho phù hợp với thực tế

- Trong [7] công nghệ SPIF được ứng dụng cho hợp kim nhôm trong hàng không với tính chất nhẹ, ma trận độ cứng cao Sử dụng mô hình mô phỏng số với mã

"Lagamine" để phù hợp với tính phức tạp của dụng cụ với mẫu cone và mẫu thẳng, sử dụng phần tử vỏ có lưới thô và lưới tinh kết hợp điều kiện biên để giảm thời gian tính xuống và giả lập trên 30 mẫu chạy trong 7 giờ Việc giả lập tạo hình SPIF bằng "Lagamine" với phần tử vỏ giúp tiếp cận phương pháp thực nghiệm nhưng khó tiên đoán được lực phát sinh và như vậy cũng chưa xác định được công suất

- Trong [54] các tác giả cố gắng thiết lập công thức thực nghiệm nhằm tiên đóan lực phát sinh trong SPIF kết hợp kết quả thực nghiệm và giả lập Tuy nhiên, từ

17

thành phần lực Fz cần phải kết hợp thực nghiệm và mô hình mô phỏng mới có thể suy diễn ra các thành phần lực khác là Fr và Fs Đồng thời, công trình chưa quan tâm tới biến dạng của dụng cụ tạo hình, đại lượng có ảnh hưởng lớn đến kết quả xác định lực

- Trong [51] các tác giả đã nghiên cứu vai trò của ma sát trên nhôm AA 3103-O đến giá trị của góc tạo hình, khi không cho dụng cụ quay, sử dụng mô hình mô phỏng số với lưới nhỏ hơn mm Nghiên cứu cho thấy SPIF tạo hình tốt khi có bôi trơn và quay dụng cụ

- Công trình [26] được các tác giả thực hiện giả lập bằng mô phỏng số nhằm tiên đoán ảnh hưởng của các thông số tạo hình và so sánh với kết quả thực nghiệm Lựa chọn kiểu phần tử lưới phù hợp dựa trên khả năng của vật liệu, sự thay đổi của bề dày và cách tạo hình 2 điểm tiếp xúc cũng đựơc chú ý Nhận xét: nhược điểm của loại phần tử này là sự giảm số điểm theo phương bề dày nên cần sử dụng thêm nhiều điểm tích hợp để cải thiện kết quả giả lập

- Trong [58] các tác giả đã quan tâm đến độ chính xác và dung sai sản phẩm khi tạo hình bằng SPIF Độ chính xác sản phẩm chịu ảnh hưởng của bước tiến dụng

cụ Phân tích mô hình số được thực hiện để nghiên cứu ảnh hưởng của mẫu hình côn cụt Kết quả giúp xác định chính xác hơn về lượng phục hồi sau tạo hình của vật liệu và độ chính xác của sản phẩm Nhận xét: bài báo nghiên cứu ảnh hưởng của đường chạy dụng cụ không chỉ dựa trên quan điểm hình học qua hiện tượng đàn dẻo mà còn quan tâm đến tiến trình phân bố biến dạng và bề dày sản phẩm với mục đích nâng cao chất lượng sau cùng nhờ kiểm soát chính xác các thông

số tạo hình bằng cách áp dụng đường chạy dụng cụ tối ưu kết hợp với kết quả thực nghiệm, để có thể áp dụng công nghệ mới này trong thực tế sản xuất

- Trong [17] các tác giả kết hợp thực nghiệm và phương pháp số để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số: đường kính, tốc độ chạy dụng cụ và ma sát giữa dụng cụ và tấm Titanium đồng nhất Nhận xét: tốc độ chạy dụng cụ và khả năng tạo hình (góc tạo hình ) có liên hệ bậc 2 - Khả năng tạo hình (góc tạo hình ) tỷ

lệ nghịch với đường kính dụng cụ Ma sát không ảnh hưởng nhiều đến khả năng

18

tạo hình (góc tạo hình ), nhưng ma sát càng lớn thì độ nhám bề mặt sản phẩm càng nhỏ

- Công trình [61] được các tác giả dùng phương pháp số và phần mềm ABAQUS

để xác định và giả lập quan hệ biến dạng và ứng suất, kết hợp với xác định đường chạy dụng cụ bằng CATIA trên vật liệu hợp kim nhôm Công trình này không quan tâm xác định giới hạn tạo hình của phương pháp SPIF và lượng phục hồi đàn dẻo sau khi tạo hình của hệ thống công nghệ gồm dụng cụ, tấm và đồ gá

- Trong [16] các tác giả đã sử dụng phương pháp số và mô phỏng PPPTHH nhằm tăng khả năng tạo hình (góc tạo hình ) của vật liệu bằng cách tạo ra lực kéo của dụng cụ lên bề mặt tấm Bài báo cũng quan tâm đến cấu trục tế vi của vật liệu và ảnh hưởng của bề dày tấm cũng như tác dụng của gia nhiệt trên hợp kim nhôm AA1050-O, AA1050-H24 và AA6082-T6 Nhận xét: tác giả chỉ đưa ra một số biện pháp công nghệ nhằm tăng khả năng tạo hình (góc tạo hình ) của vật liệu tấm, không nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ trên quan điểm quy hoạch thực nghiệm và tạo tài liệu tra cứu khi tạo hình SPIF

- Các tác giả trong [30] đã thiết lập công thức giả lập dựa trên cấu trúc chia lưới phụ nhằm tiên đóan lực phát sinh trong SPIF Kết hợp kết quả thực nghiệm và giả lập bằng phương pháp số giúp xác định đường chạy dụng cụ, từ đó xác định được ảnh hưởng của các thông số công nghệ khác với kết quả có thể chấp nhận được Công trình này áp dụng phương pháp số kết hợp thực nghiệm với giả thiết dụng cụ tạo hình cứng tuyệt đối nên kết quả chưa gần với thực tế

- Trong [37] các tác giả đưa ra biện pháp chạy dụng cụ nhiều bước nhằm tăng khả năng tạo hình (góc tạo hình ) của tấm bằng SPIF từ côn lên hình trụ với các mô phỏng số trên phần mềm PPPTHH Đây chỉ là một biện pháp công nghệ nhằm tăng khả năng tạo hình (góc tạo hình ) cho sản phẩm Bài báo không quan tâm quy hoạch thực nghiệm mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với độ nhám

bề mặt và độ chính xác của sản phẩm

19

1.4.1.3 Các nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm trong khảo sát SPIF

Nhiều nghiên cứu kết hợp thực nghiệm và phương pháp số nhằm kiểm chứng, phối hợp

để được kết quả trung thực hơn như [38], [14], [22], [58] Phương pháp thực nghiệm được xem như phương pháp phổ biến nhất tập trung vào một số vấn đề sau:

Giản đồ thực nghiệm FLD: công trình [28] nghiên cứu mối quan hệ của các

thông số công nghệ (đường kính dụng cụ, số vòng quay, bước xuống và tốc độ chạy dụng cụ) đến khả năng tạo hình (góc tạo hình ) trên nhiều loại vật liệu được khảo sát trong Các tác giả đã dựa trên kết quả thực nghiệm để xây dựng đồ thị giới hạn góc tạo hình α, có thể ứng dụng, tra cứu trong sản xuất Kết quả cho thấy giới hạn này chỉ đạt đến 75-800 Tuy nhiên, các nghiên cứu chưa thể hiện được mối quan hệ giữa các thông

số công nghệ và giới hạn tạo hình một cách tường minh

Gia nhiệt: Nghiên cứu thực nghiệm SPIF nhờ gia nhiệt cục bộ trong [31], kết

hợp với cải tiến đường chạy dụng cụ Các tác giả đã nghiên cứu thực nghiệm trên vật liệu nhựa nhiệt dẻo cho 3 dạng mẫu hình nón biên dạng cong để có thể xác định góc tạo hình lớn nhất khi mẫu bị rách Nghiên cứu cho thấy đường kính dụng cụ, số vòng quay

và tốc độ chạy dụng cụ có ảnh hưởng lớn đến khả năng tạo hình (góc tạo hình ) và việc tạo hình trên vật liệu nhựa nhiệt dẻo đạt được kết quả khả quan

Thuộc tính của vật liệu và khả năng biến dạng của vật liệu tấm trong tạo hình

SPIF bằng thực nghiệm được nghiên cứu tổng hợp trong [60] nhằm giúp lựa chọn loại vật liệu phù hợp để nâng cao góc tạo hình Bằng thực nghiệm kết hợp phương pháp giải tích và phương pháp số, tác giả đã xây dựng đường đặc tính giới hạn tạo hình của hợp kim nhôm theo các thông số như vật liệu, bề dầy, đường kính của dụng cụ

Vấn đề lực tạo hình: [55] kết hợp thực nghiệm và PPPTHH để xác định lực phát

sinh trong SPIF dựa trên nhiều kết quả thực nghiệm với 5 loại vật liệu khác nhau với các thông số tạo hình: bề dầy, góc tạo hình, đường kính dụng cụ tạo hình và bước xuống dụng cụ với độ chính xác cao Nghiên cứu cơ sở trên vật liệu AA3003 từ đó suy diễn ra

mô hình thực nghiệm trên các vật liệu khác như AA3003, hợp kim nhôm Al–Mg AA5754, thép DC01, thép không gỉ SUS304 và thép lò xo 65Cr2 Kết quả dựa một phần

20

trên thực nghiệm và một phần trên mô hình số - sai số giữa 2 phương pháp là 6% Đây

là một số rất hiếm công trình nghiên cứu kết hợp giải tích, phương pháp số và thực nghiệm để xác định lực xuất hiện trong tạo hình SPIF

Trong [36], các tác giả đã nghiên cứu đồng thời SPIF và TPIF với vật liệu tấm đồng C101, kích thước phôi 175x175 trên đồ gá có diện tích tạo hình 140x140 Biến dạng của tấm đồng thau mã hiệu C101 (nóng chảy ở 10380C) bằng 2 công nghệ SPIF và TPIF được đo, đánh giá và kiểm nghiệm độ chính xác của quy luật sin về sự thay đổi bề dày tấm Vật liệu được ủ trước khi tạo hình để khử ứng suất dư Kết quả nghiên cứu cho thấy: sai số tuyệt đối trong phép đo theo 3 phương: z là ±0,01, r là ±0,02,  là ±0,06 Trong hai phương pháp SPIF và TPIF, biến dạng là sự kết hợp liên tục của kéo dãn và cắt Ứng suất cắt vuông góc với phương của trục dụng cụ và đáng kể trong tạo hình SPIF Do góc tạo hình giảm khi giảm ứng suất đàn hồi vì có dưỡng nên sai số theo quy luật sin của phương pháp TPIF (6%) lớn hơn sai số của SPIF (chỉ có 2%) Do mẫu thí nghiệm được ủ trước nên dễ dàng biến dạng và đạt giá trị góc tạo hình tốt hơn các công trình khác

[40] là công trình thực nghiệm và quan sát về hiện tượng xoắn hình thành khi tạo hình tấm bằng cả 2 phương pháp SPIF và TPIF trên phôi tấm được vẽ lưới Hiện tượng xoắn được đo bằng các điện trở strain gauge Kết quả đo lường được xử lý và trình bày nhờ một phần mềm FEA Vấn đề không đối xứng, tích lũy, hiệu ứng phục hồi, phản lực, tấm bị mỏng, biến cứng và dãn dọc phương đứng được khảo sát, biểu diễn và phân tích bằng phần mềm mô phỏng số Kết quả cho thấy hướng xoắn tương ứng với đường chạy dụng cụ theo các kiểu kết hợp có thể lý giải bởi thành phần lực tiếp tuyến đơn tác dụng trên phôi khi sử dụng các đường chạy dụng cụ theo một hướng Bài báo chưa quan tâm đến việc xác định lượng bù trừ do xoắn

Trong [32] các tác giả quy hoạch thực nghiệm các thông số tạo hình SPIF trên tấm hợp kim nhôm AA1060 như bề dày tấm, đường kính dụng cụ, góc tạo hình, lượng chạy dụng cụ và biến dạng ban đầu để chọn các thông số tối ưu nhằm tăng độ chính xác hình học của sản phẩm Bài báo sử dụng phương pháp tối ưu hóa CCRD để lựa chọn các thông số SPIF tối ưu sau đó dùng thực nghiệm để tạo hình tấm theo thông số đã chọn