Nghiên cứu ứng dụng công nghệ SPIF (single point incremental forming) gia công tạo hình kim loại tấm trong công nghiệp

Công nghệ tạo hình biến dạng gia tăng ISF đây là một loại hình kỹ thuật mới trong tạo hình kim loại tấm đang được ứng dụng trong công nghiệp chế tạo, công nghiệp hàng không, công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-&&& -

Bùi Bính Khiêm

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ SPIF (Single Point Incremental Forming) gia công tạo hình kim loại

tấm trong công nghiệp

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Thanh Nam

………

………

………

………

………

………

………

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ………

………

………

………

………

………

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ………

………

………

………

………

………

………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại : HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA Ngày …… tháng …….năm 2009

- -

Tp HCM, ngày 25 tháng 11 năm 2009

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Bùi Bính Khiêm Phái: Nam

Ngày tháng năm sinh: 01/05/1978 Nơi sinh: Phú Yên

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy MSHV: 00407708

Khóa: 2007

1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ SPIF (Single Point Incremental

Forming) gia công tạo hình kim lọai tấm trong công nghiệp.

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

− Tổng quan và lịch sử phát triển của phương pháp biến dạng gia tăng

− Thiết kế và chế tạo đồ gá cho quá trình sản xuất bằng công nghệ SPIF

− Ứng dụng công nghệ SPIF đề gia công một số sản phầm trong công nghiệp

− Đánh giá phân tích hiệu quả kinh tế gia công bằng công nghệ SPIF

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10 – 02 - 2009

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30 -11- 2009

5- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Thanh Nam

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

( Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS Nguyễn Thanh Nam

Trong thời gian học tập tại trường nói chung cũng như trong quá trình thực hiện luận văn này nói riêng em đã nhận được sự chỉ bảo tận tình và học hỏi được rất nhiều kinh nghiệm kiến thức quý báu từ các thầy cô giảng viên Khoa Cơ khí trường Đại Học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, trước tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy, cô đã tận tình giúp đỡ em rất nhiều trong thời gian em nghiên cứu và thực hiện luận văn

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn PGS TS Nguyễn Thanh Nam đã trực tiếp giúp đỡ, hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi nhất để em

hoàn thành cuốn luận văn này

Bên cạnh đó Em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến:

Trường Đại Học Bách khoa TP Hồ Chí Minh mà đặc biệt là phòng CNC Khoa

Cơ khí

Ban giám hiệu và quý thầy cô Trường Cao Đẳng Nghề Giao Thông Vận Tải TW3

Thầy ThS Lê Khánh Điền người đã hổ trợ, giúp đỡ và cung cấp một số tài liệu

có liên quan đến đề tài

Ban Giám Đốc và cán bộ công nhân viên công ty BAVICO

Các em sinh viên Khoa Cơ khí Trường Đại Học Bách khoa TP Hồ Chí Minh Cuối cùng em cũng xin cám ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp, những người đã giúp đỡ, động viên tinh thần cho em trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Vì thời gian thực hiện đề tài không nhiều, kiến thức bản thân còn hạn chế, hơn nữa đây là đề tài mới, ít tài liệu tham khảo nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Kính mongquý thầy, cô đóng góp ý kiến để em hoàn thiện hơn

Học viên

Bùi Bính Khiêm

Công nghệ tạo hình biến dạng gia tăng (ISF) đây là một loại hình kỹ thuật mới

trong tạo hình kim loại tấm đang được ứng dụng trong công nghiệp chế tạo, công nghiệp hàng không, công nghiệp quốc phòng, y tế sở dĩ được ứng dụng rộng rãi như vậy là do có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại hình công nghệ khác: có thể cơ khí hoá, tự động hoá cao, giá thành sản phẩm hạ, tiết kiệm được nguyên vật liệu và tận dụng được phế liệu

Công nghệ tạo mẫu nhanh kim loại tấm là một nhu cầu cấp thiết của lĩnh vực kim loại tấm Việc tạo mẫu chi tiết kim loại tấm phải tốn chi phí lớn do chi phí tạo khuôn cao Tuy nhiên, một công nghệ tạo hình kim loại tấm mới hiện nay là công nghệ tạo hình gia tăng đơn điểm và công nghệ tạo hình gia tăng hai điểm đang là một lĩnh vực được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới Đây là phương pháp có tính mới và tiềm năng ứng dụng cao Đề tài này đang trong giai đoạn nghiên cứu ban đầu, chưa định rõ một lý thuyết cụ thể nên em chọn đề tài luận văn là “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ SPIF (Single Point Incremental Forming) gia công tạo hình kim lọai tấm trong công nghiệp”

Sau một thời gian nghiên cứu, luận văn đã đạt được kết quả như sau:

− Thiết kế và chế tạo đồ gá cho quá trình sản xuất bằng công nghệ SPIF

− Ứng dụng công nghệ SPIF đề gia công một số sản phầm trong công nghiệp

− Đánh giá phân tích hiệu quả kinh tế gia công bằng công nghệ SPIF

Incremental sheet forming technology (ISF) is a new technology in deforming sheet metal and is being applied in manufacturing industry, aviation industry, defense industry, medical This technology is widely used because there are so many outstanding advantages than other technology: machanizable, high automatization, lower product cost, saving materials and to taking advantage of waste

Rapid prototyping of sheet metal is an urgent demand of the sheet metal field Creating models of metal sheet needs a large amount of money due to high die cost However, a new deformation technology for sheet metal, including single point incremental forming (SPIF) and two point incremental forming (TPIF) technology, is presently a research field for many of the world This technology has the novelty and high application potential It is currently studying at the initial stage, not defining a specific theory, so I named the thesis topic "Research on applying technology (SPIF)

to process sheet metal product in industry”

Some results were obtained during the research time:

- Design and manufacture fixture used for SPIF technology

- Appling SPIF into some industrial products

- Analysis and evaluate the economic effects of SPIF technology in

manufacturing

LỜI NÓI ĐẦU

Có thể nói rằng nền kinh tế nước ta nói riêng và nên kinh tế thế giới nói chung đang trong giai đoạn cạnh tranh khốc liệt trước xu hướng toàn cầu hóa Hiện nay nước ta

đã gia nhập WTO nhiệm vụ quan trọng nhất đặt ra trong thời kỳ tiếp cận với tự động hóa

và hiện đại hóa là sử dụng hiệu quả nhất các trang thiết bị hiện có và cải tiến cho tối ưu hơn nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường Để có thể cạnh tranh được thì các doanh nghiệp cần phải cải tiến mẫu mã, chất lượng, tính toán thời gian sản xuất sao cho ngắn nhất nhằm mang lại lợi nhuận cao nhất Như vậy vấn đề đặt ra đối với các nhà thiết kế là phải tối ưu tất cả các yếu tố kỹ thuật ngay trước khi cho sản xuất đại trà Đối với tất cả các nước và đang phát triển thì vấn đề gia công tạo hình kim loại tấm là một trong những nhu cầu góp phần đưa đất nước tiến vào thời kì công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước Như chúng

ta đã biết công nghệ tao hình kim loại tấm là một phần của công nghệ gia công kim loại bằng áp lực nhằm làm biến dạng kim loại tấm để có hình dạng và kích thước mong muốn Đây là một loại hình công nghệ đang được ứng dụng trong ngành công nghiệp khác nhau đặc biệt là trong các lĩnh vực kỹ thuật điện và điện tử, công nghiệp chế tạo, công nghiệp sản xuất hàng tiêu dùng, y tế….và từ trước cho đến nay gia công tạo hình kim loại tấm thường được chế tạo nhờ các dụng cụ đặc biệt gọi là khuôn dập Ngày nay xu thế toàn cầu hóa mạnh mẽ đã khiến cho thị trường tiêu thụ sản phẩm trở nên khắc nghiệt như đã nói ở trên các nhà sản xuất không chỉ phải cạnh tranh với các đối thủ nội địa mà còn phải chịu sức ép rất lớn từ các doanh nghiệp nước ngoài Trong khi đó tính đa nghiệm của bài toán cạnh tranh luôn đặt các nhà sản xuất đứng trước khó khăn để lựa chọn những phương án sản xuất tối ưu thời gian chế tạo nhanh với công nghệ tiên tiến Vì thế công nghệ tạo hình biến dạng gia tăng mà cụ thể là công nghệ SPIF nhằm đáp ứng nhu cầu đó Nó là một kỹ thuật sản xuất bộ phận bằng tấm kim loại không cần khuôn phát triển gần đây và dần được ứng dụng trong công nghiệp Ngày này SPIF vẫn còn giai đoạn nghiên cứu ban đầu

và cần phát triển hơn nữa trước khi nó được sử dụng cho các ứng dụng công nghiệp kỹ thuật này Chính vì tính cấp thiết đó tôi quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ SPIF (Single Point Incremental Forming) gia công tạo hình kim loại tấm trong công nghiệp”

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG KIM LOẠI TẤM BẰNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN

DẠNG GIA TĂNG 1.1 Các công nghệ gia công kim loại tấm

1.1.1.Lịch sử

Ở châu Âu, công nghệ gia công kim loại tấm ra đời từ thời kỳ đồ sắt, đồ đồng nhưng đến thời Trung cổ mới có nhiều sản phẩm đa dạng phục vụ cho cuộc sống, cho chiến tranh như ly, tách, thìa, dao, kiếm…các bộ áo giáp tinh xảo được lắp ráp với các khớp động cho phép các người mặc cử động dễ dàng Thời gian này thợ rèn kiêm luôn thợ

gò và được xem như một ngành nghề quyết định sự tồn vong của một xã hội: chế tạo vũ khí Vào các thời kỳ sau này như Phục Hưng, Cổ điển… sản phẩm chế tạo từ tấm kim loại vẩn còn phát triển rất chậm vì chỉ phục vụ các dụng cụ gia đình hay chiến tranh do kỹ nghệ cơ khí chưa phát triển và cũng chưa được nghiên cứu lý thuyết … Phải chờ đến thế

kỷ thứ 18 khi cuộc cách mạng kỹ nghệ cơ khí phát triển tại Anh và lan rộng trên thế giới thì công nghệ gia công tấm mới được nghiên cứu, phát triển và đóng góp nhiều sản phẩm

đa dạng cho ngành cơ khí

Ý tưởng về biến dạng gia tăng kim loại tấm với dụng cụ một điểm, cũng gọi là biến dạng không khuôn, đã được đăng ký bằng phát minh bởi Leszak [3] trước khi nó có thể thực hiện được về mặt kỹ thuật Có rất nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này cho đến bây giờ Hiện nay, có những quá trình mới nhờ đó kim loại tấm bị biến dạng dẻo tại một điểm có thể tiến hành sản xuất linh hoạt về những sản phẩm phức tạp bằng kim loại tấm Có thể thực hiện nhiều loạt nhỏ trong một thời gian ngắn cũng như tạo mẫu nhanh trong vòng 1 ngày Quá trình mới này đơn giản vì gia công kim loại tấm có thể thực hiện trên máy phay CNC 3 trục

Miết (Spinning) là tiền thân của biến dạng kim loại tấm không đối xứng Hagan và Jeswiet [4] đã phác thảo quá trình cho một số quá trình biến dạng kim loại tấm mới nổi

lên, tất cả đều có nguồn gốc từ spinning, và tất cả đều có tiềm năng ứng dụng tạo mẫu nhanh kim loại tấm

1.1.2 Phân loại:

Trải qua một thời gian phát triển lâu dài ngành công nghệ kim loại mới được các nhà khoa học nghiên cứu lý thuyết, phân loại dựa trên các đặc điểm gia công tạo hình Sau đây là các công nghệ gia công kim loại khối và tấm cổ điển có khuôn và không cần khuôn:

• Khối

- Rèn (Forging): Thường gia công khối kim loại, nhưng cũng có thể gia công tấm

khi vật liệu quá cứng (rèn kiếm, dao, lưỡi liềm…) Công nghệ cổ điển này cần phải nung vật liệu nóng đỏ để tăng tính mềm dẻo và giảm tính dòn, có 2 loại: rèn tự do trên đe không cần khuôn và rèn khuôn, rèn khuôn hiện là phương pháp gia công không phôi hiện đang sử dụng nhiều nhất trên thế giới để chế tạo phôi và cả các chi tiết máy chính xác có thể đem ra sử dụng

- Dập (Stamping) là công nghệ rèn khuôn đã được cơ khí hoá, có 2 loại là dập

nóng và dập nguội Dập tấm thường dập nguội cho năng suất cao nhất trong các phương pháp gia công áp lực hiện nay Khác với rèn khuôn cần đập liên tục nhiều lần còn dập chỉ tác dụng lực một lần cho mỗi công đoạn là cho ra thành phẩm nên thường dùng nhiều cho cắt hình các sản phẩm tấm mỏng hoặc dày

Một vài quá trình biến dạng kim loại tấm truyền thống là dập, vuốt và ép Những quá trình này thường được sử dụng nhiều trong sản xuất công nghiệp Phôi được kẹp chặt tại các cạnh của nó; khi đó, phần chính giữa sẽ chịu lực tác động của chày xuống khuôn

để kéo giãn vật liệu đạt được hình dạng mong muốn Một dạng khác, gọi là dập sâu bởi vì chiều cao của chi tiết bị biến dạng, hình 1.1 Khe hở giữa chày và khuôn được phóng to lên để minh họa Trong trường hợp này tùy thuộc vào áp lực nén, phôi tấm sẽ được kẹp chặt bởi tấm giữ

Hình 1.1.Dập sâu

Trong sản xuất hàng loạt lớn, những phương pháp truyền thống như dập, vuốt, ép,…mang lại hiệu quả cao vì thời gian tạo ra sản phẩm rất ngắn và chi phí cho chày với khuôn lớn có thể được hỗ trợ bởi số lượng lớn sản phẩm Tuy nhiên, đối với tao mẫu nhanh và sản xuất loạt nhỏ thì thời gian gia công cũng như giá của khuôn với chày là quá cao

• Tấm:

- Gò (Drawing, Spinning): Tạo hình dáng sản phẩm tấm bằng cách gây áp lực

nhỏ gần như điểm của búa, đe Thường gò được thực hiện thủ công, nguội ở nhiệt độ thường, cần thợ tay nghề cao, thường dùng cho sửa chữa (vỏ xe ô tô, đường ống khí thải…) nói chung gò thủ công thường không cần dùng khuôn có hình dáng chính xác giống thành phẩm mà chỉ cần dùng các gá, tấm tựa có hình dáng đơn giản

- Vuốt, Lận, Dựng (Drawing) Tạo biến dạng kim loại từ từ dưới áp lực của con

lăn hay đầu điểm ép đè và trượt trên bề mặt tấm Trong vuốt, phôi kim loại có thể quay chậm để chạy dao khi sản phẩm có dạng tròn xoay Dập sâu kết hợp vuốt có thể tạo các sản phẩm đặc trưng mà không phương pháp nào có thể thay thế được như chai chứa oxy Thường dùng chế tạo các vật liệu mềm như nhôm dùng trong bếp núc, văn phòng Chi tiết cũng cần có chuyển động xoay và cần có khuôn mẫu để phôi ép tựa vào trong lúc định hình: chế tạo được các chi tiết tròn xoay

- Nong ép (Ironning) dùng chày ép vật liệu vào lòng khuôn với tốc độ đủ để tấm

kim loại ( có thể nguội hoặc nung nóng) biến dạng từ từ và có hình dáng của khuôn Có nhiều công nghệ ép khác nhau: Ép sâu, ép lại, ép vách

Có thể tóm tắt các phương pháp gia công áp lực theo bảng 1.1 sau đây:

Dùng Khuôn Không khuôn

Tấm Ép, dập Ép, dập, miết Rèn Gò, Dựng,

Miết

Miết dẻo (Shear forming)

Các phương pháp truyền thống trên là các phương pháp được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Ngoài các phương pháp trên còn có công nghệ Miết (spinning) Miết được xem là tiền thân của biến dạng kim loại tấm không đối xứng Miết có thể phân loại thành 3 loại cơ bản sau: miết thường (conventional spinning), miết dẻo (shear spinning)

và flow forming Trong đó miết dẻo được xem là cơ sở của tạo hình gia tăng không đối xứng nói chung và tạo hình gia tăng đơn điểm nói riêng vì có cơ chế biến dạng tương tự nhau, tuy nhiên có khả năng làm tăng biến dạng của vật liệu hơn nhiều so với miết

Hình 1.2 Miết truyền thống

Quá trình miết dẻo[Kobayashi et al., 1961] thường được xem là cơ sở của phương pháp biến dạng gia tăng [ví dụ, Kim và Yang, 2000; Hagan và Jewiet, 2003] Yêu cầu chi tiết có hình dạng đối xứng quanh trục với dụng cụ hay con lăn Quá trình này tương tự như tạo hình đất sét trên bàn xoay

Quá trình miết truyền thống được minh họa trong hình 1.2, cùng với một số dạng sản phẩm có thể được làm bằng phương pháp này Trong quá trình này, “phôi tấm phẳng hay đã bị biến dạng hình tròn sẽ được giữ đối diện với trục miết và quay trong khi dụng

cụ miết cứng làm biến dạng và tạo hình cho vật liệu quay quanh vật đối xứng (mandrel) Dụng cụ miết có thể được điều khiển bằng tay hay cơ cấu thủy lực được điều khiển bằng máy tính Quá trình này trải qua một loạt pass và yêu cầu người đứng máy có tay nghề cao Miết truyền thống đặc biệt thích hợp với chi tiết có dạng hình côn và dạng đường cong, những hình khác có thể khó gia công hoặc không có tính kinh tế Đường kính sản phẩm có thể lên đến 6m Mặc dù hầu hết quá trình miết diễn ra ở nhiệt độ phòng nhưng đối với chi tiết dày hay kim loại có độ dẻo thấp hoặc ứng suất cao yêu cầu phải miết ở nhiệt độ cao Chiều dày thành của chi tiết biến dạng theo lý thuyết thì bằng với phôi ban đầu

Phù hợp hơn với phôi dày, quá trình miết dẻo đạt được những kết quả khác so với phương pháp miết truyền thống, minh họa như hình 1.3 Quá trình này tạo ra những sản

Hình 1.3 Miết dẻo (shear forming)

phẩm có dạng đường conic hay đường cong mà vẫn giữ được đường kính lớn nhất của chi tiết và giảm chiều dày của sản phẩm Có thể sử dụng một con lăn nhưng thường dùng 2 con lăn để cân bằng lực tác dụng lên tâm trục Chi tiết điển hình là vỏ động cơ nổ hay mũi của tên lửa Đường kính lớn nhất của chi tiết có thể lên đến 3m Quá trình này bỏ đi ít vật liệu và có thể hoàn thành trong thời gian ngắn Khả năng miết của kim loại được xác định bằng chiều dày nhỏ nhất có thể giảm mà khi miết không bị rách

Đối với miết, hạn chế lớn của phương pháp này là chỉ có thể giới hạn gia công các chi tiết có hình dạng đối xứng Đồng thời phương pháp này cũng không có tính linh hoạt cao vì với mỗi sản phẩm ứng với một chày khác nhau Tương tự như dập cũng phải tốn chi phí cho chày và khuôn Miết được xem cơ sở của công nghệ tạo hình gia tăng không đối xứng

1.2 Tổng quan về gia công kim loại tấm bằng phương pháp SPIF

Một phân tích gần đúng cho tạo hình tấm gia tăng, dùng dụng cụ tạo hình đầu tròn, được phát triển Phương pháp gia tăng này đã được ứng dụng tạo thành vỏ mỏng không đối xứng Trong mẫu tạo hình được đưa ra để so sánh Một cách gần chính xác, mẫu này được gia công với đầu tròn của dụng cụ tiếp xúc một cách đều đặn với tấm kim loại Ma sát tại vị trí giao nhau giữa dụng cụ và tấm, tính không đẳng hướng mặt và tác động Bauschinger của vật liệu tấm được bỏ qua Sự ép tạo hình gần cho một lực căng đồng đều

và vỏ biến dạng được chỉ ra Lực kéo giãn được quyết định từ điều kiện của phần không biến dạng bị kéo di chuyển theo bởi độ cứng vững của vỏ Và kết quả đạt được bởi phân tích biến dạng gần đúng, phân tích FEM và những thí nghiệm thực tế có sai lệch rất ít

1.2.1 Khái niệm về SPIF

Incremental Sheet metal Forming (ISF): Công nghệ mới này được gọi tên là tạo

hình kim loại tấm bằng biến dạng gia tăng lan rộng hay gia công bằng chày tác dụng

không đối xứng Asymetrical Point Incremental Forming (APIF) là một phương pháp tạo

hình tấm có hình dáng bất kỳ mà không dùng khuôn

- Two Point Incremental Forming (TPIF): tạo hình bằng biến dạng lan rộng do

2 điểm tác dụng trên 2 mặt của tấm (giống công nghệ miết có khuôn nhưng tấm không xoay tròn mà chuyển động của chày sẽ tạo hình bằng cách đè miết tấm lên mặt khuôn) Phương pháp này cần phải dùng khuôn nhưng chày thì đơn giản (hình 1.4)

Hình 1.4 Sơ đồ tạo hình gia tăng 2 điểm (TPIF)

- Single Point Incremental Forming (SPIF):

Phương pháp tạo hình gia tăng đơn điểm có thể thực hiện trên máy phay CNC 3

dễ dàng các chi tiết phức tạp Trong tạo hình gia tăng đơn điểm không có khuôn, mặt dưới của tấm không chịu tác động Điều này tạo ra biến dạng và ứng suất khác với tạo hình gia tăng hai điểm Theo trình tự thời gian thì tạo hình gia tăng đơn điểm có sau tạo hình gia tăng 2 điểm Có thể thấy hiển nhiên rằng với bất kì máy CNC nào, cùng với phần mềm

xuất đường chạy dao, đều có thể được dùng để tạo hình chi tiết kim loại tấm Có thể xem những đặc tính trên là biến dạng không khuôn

Hai phương pháp ISF trên khác nhau về bản chất và tính toán:

- SPIF không dùng khuôn, kết cấu đồ gá và chuyển động đơn giản, giá thành hạ nhưng

bị giới hạn không thể tạo hình các chi tiết tấm vừa lõm vừa có vùng lồi

- TPIF phải dùng khuôn, kết cấu đồ gá và chuyển động phức tạp, giá thành cao nhưng phạm vi tạo hình rộng hơn có thể tạo hình các chi tiết tấm vừa lõm vừa có vùng lồi

Quá trình tạo hình tấm gia tăng được dựa trên nguyên tắc chế tạo phân lớp, tại đó các công cụ hình cầu giản đơn được di chuyển dọc theo những đường dẫn công cụ được điều khiển bằng số làm biến dạng tấm kim loại tăng dần hết phần này đến phần khác

Không giống với các công nghệ tạo hình kim loại tấm trước đây, công nghệ tạo hình kim lọai tấm bằng phương pháp biến dạng gia tăng không yêu cầu khuôn hoặc chày

để tạo ra các sản phẩm có hình dạng Nó có thể được xem là một công nghệ tạo mẫu nhanh trong kim loại tấm Quá trình gia công tấm kim loại theo phương pháp này sử dụng một dao hình cầu không có cạnh cắt có đường kinh được tính toán phù hợp với sản phẩm

Hình 1.5 Tạo hình gia tăng đơn điểm (SPIF)

(chưa hoàn thiện nghiên cứu về dụng cụ) Tấm kim loại được kẹp trên khung đơn giản và được gá chắc chắn trên bàn máy CNC 3 trục

Trong suốt quá trình gia công, dao hình cầu sẽ di chuyển theo đường chạy dao được xuất từ dạng hình học hoàn chỉnh của sản phẩm thông qua một phần mềm CAM truyền thống (Hình 1.6) Quá trình biến dạng này là biến dạng cục bộ tại một điểm, các miền khác của tấm kim loại không được chạm vào dụng cụ Do đó nó được gọi là phương pháp biến dạng gia tăng cục bộ

Hình 1.6: Dạng hình học hoàn chỉnh của sản phẩm

1.2.2 Các thông số trong tạo hình tấm bằng phương pháp SPIF

Biến dạng gia tăng đơn điểm (Single Point Increment Forming SPIF) là một công nghệ mới cho phép chế tạo ra một sản phẩm dạng tấm có hình dáng phức tạp trên máy CNC bằng dụng cụ đơn giản Phương pháp này có thể không cần dùng khuôn hay dùng khuôn kết hợp có hình dáng đơn giản Phôi tấm được kẹp chặt lên một khung đơn giản và một dụng cụ hình chỏm cầu được dùng làm dao đè ép trên phôi (hình 1.7)

Các thông số ảnh hưởng đến khả năng biến dạng của tấm trong công nghệ SPIF: 1- Góc biến dạng α: là góc hợp bởi biên dạng vách phôi đang gia công và phương ngang, là thông số chủ đạo cần nghiên cứu đến khả năng tạo hình của công nghệ mới này

2- Bề dày tấm ti trước khi gia công và sau khi gia công tf

3- Module đàn hồi Et, Ec, hệ số Poisson νt, νc: thuộc tính của vật liệu phôi và chày

4- Độ nhám bề mặt sau gia công Rz hoặc Ra

5- D đường kính đầu dụng cụ

6- Vận tốc quay của dụng cụ n

7- Lượng chạy dao F theo phương chu vi

8- Lượng ăn dao theo chiều sâu ∆z

Hình 1.7 Thông số gia công tấm bằng công nghệ SPIF

1.2.3 Khả năng biến dạng của vật liệu:

Khả năng biến dạng của vật liệu được đặc trưng bởi góc biến dạng lớn nhất α Thông số này đã được nghiên cứu, nó chịu ảnh hưởng bởi các thông số sau

ƒ Độ dày của tấm

Bề dày tấm kim loại có ảnh hưởng trên góc xuống dao lớn nhất Theo định lý Sine

t = to.sinλ = tocosα, thì chiều dày tấm càng lớn thì góc α càng lớn, làm tăng khả năng tạo hình

ƒ Tốc độ quay trục chính

Tăng tốc độ quay trục chính (vòng/phút) có thể tăng khả năng tạo hình Khả năng tạo hình tăng lên do toả nhiệt cục bộ của tấm và sự giảm ma sát giữa dụng cụ tao hình và phôi Có một hạn chế, đó là dụng cụ sẽ bị mòn nhanh chóng và phải tăng thêm số lượng chất bôi trơn, từ đó nảy sinh các vấn đề về an toàn và môi trường Nếu vật liệu nhôm AA 1050-0 trong trường hợp này có khả năng tạo hình tương đối thấp thì một số vật liệu tạo hình tốt hơn như AA8008-0 có thể dùng thay thế khi tốc độ trục chính yêu cầu

ƒ Bước xuống dụng cụ

Kích thước xuống dụng cụ ∆z (độ dốc) có ảnh hưởng rõ ràng đến khả năng tạo hình và độ nhám bề mặt Khi tăng ∆z phần vật liệu không được gá phải chịu một những điểu kiện biến dạng nặng nề Một số nghiên cứu đã tiến hành những thử nghiệm tạo hình trên tấm nhôm AA 1050-O dày 1 mm với hình dạng nón Với cách này khả năng biến dạng tấm giảm đi sau một chuỗi tăng ∆z Kết quả được tóm tắt về FLD’s chỉ ra trong hình 1.8 Trong hình 1.8, một vùng giới hạn mà trong các lựa chọn tốt hơn cho các thông số kỹ thuật đã được đánh dấu

ƒ Đường kính dụng cụ

Một yếu tố quan trọng khác là đường kính dụng cụ Trong khi dụng cụ có đường kính nhỏ tập trung các vết nứt tại vùng biến dạng trên tấm dưới dụng cụ thì dụng cụ có đường kính lớn phân phối các vết nứt trên một vùng mở rộng hơn Khi đường kính dụng

cụ tăng lên, quá trình càng giống với dập truyền thống Việc giảm kích thước dụng cụ sẽ tăng giới hạn tạo hình (hình 1.8) Khi đường kính dụng cụ giảm từ 30 đến 6 mm sẽ đạt được khả năng biến dạng cao hơn

Chiều sâu bước, deltaz,mm Hình 1.8: FLDo với các kích thước bước khác nhau, vật liệu dùng là nhôm AA 1050-0 Trong hình là đường biên trên và dưới với đường kính dụng cụ là 12 mm [ 8]

Biến dạng phụ

Một phân tích tổng quan đã được tiến hành để tìm hiểu mối quan hệ giữa khả năng tạo hình kim loại và những đặc tính vật liệu khác Kế hoạch thực nghiệm được tiến hành trên nhiều loại vật liệu khác nhau, đặc biệt tận dụng các đặc điểm của máy tự động và những ngành công nghiệp tạo hình tấm khác

Như đã biết, các kết quả tạo hình đã được thông qua các giá trị FLDo, trong khi đó các giá trị thử nghiệm đã được hiệu chỉnh trong tất cả các thí nghiệm Hình 1.11 là FLD của tất cả các vật liệu trong bảng 1.1

Bảng 1.1: Bảng vật liệu và đặc tính dùng để thử nghiệm sự liên hệ giữa khả năng

biến dạng với tạo hình biến dạng đối xứng.[8]

Hình 1.10: Biểu đồ FLD của các thông số vật liệu cho trong bảng 1.1[8]

Biểu đồ FLD không cho ta biết thông số vật liệu nào có ảnh hưởng lớn hơn Do đó, một phân tích thống kê đã được tiến hành để tìm ra sự ảnh hưởng của các đặc tính vật liệu

ở bảng 1.1 lên khả năng biến dạng Năm biến số (K, n, Rn, UTS, A%) là các thông số đầu vào và đầu ra là các FLDo tương ứng cho mỗi nhóm năm giá trị cố định đó, với K là hệ số biến cứng, n là hệ số hóa bền biến dạng, Rn là hệ số dị hướng, UTS là giới hạn bền, A% là

độ giãn dài Mong muốn của việc phân tích nào là để xác định mỗi biến đầu vào ảnh hưởng lên các thông số đầu ra như thế nào Kết quả cho thấy những ảnh hưởng lớn nhất lên khả năng biến dạng trong tạo hình gia tăng đơn điểm không đối xứng chính là hệ số

hóa bền biến dạng n (strain hardening coefficient) Thêm vào đó, hệ số hóa bền biến dạng

và hệ số biến cứng K (strength coefficient) của vật liệu cũng có ảnh hưởng rất lớn lên nhau Hệ số biến cứng và độ giãn dài cũng có ảnh hưởng lên khả năng biến dạng Phân tích thống kê cho ta một phương trình 6 chiều:[8]

FLDo = 8.64 – 36.2n – 0.00798K + 0.373Rn – 0.104A% + 0.0301 K.n + 0.607n A%

Những vật liệu đặc trưng và đặc tính vật liệu

Những vật liệu tấm thông thường được sử dụng trong tạo hình gia tăng đơn điểm không đối xứng là nhôm và thép Nhôm và các hợp kim của nó rất hay dùng trong tạo hình gia tăng chính nhờ vào sự giảm lực biến dạng Đa số các thí nghiệm trên nhôm (AA1100, AA3003, AA1050) đã được tiến hành để nghiên cứu khả năng biến dạng và đặc tính vật liệu Đối với AA1050 và AA3003 Các nhà nghiên cứu đã tìm ra những mẫu tấm thích ứng cho vật liệu nhôm trên:

1050-0; to = 1,0 mm; σ = 111ε0,14

Do cần phải có lực biến dạng lớn hơn đối với thép nên chiều dày các tấm thép dùng cũng bé hơn Tuy nhiên, thép được dùng trong sản xuất có sử dụng phương pháp biến dạng gia tăng bởi vì chúng có một vai trò quan trọng trong tạo hình tấm truyền thống Do đó, người ta cũng tập trung vào ứng dụng trên thép mềm và thép không rỉ Trong số các loại thép mềm, DC04 thường được dùng nhiều nhất do nó có khả năng biến dạng cao và có nhiều ứng dụng rộng rãi Trên thực tế đã chế tạo lưới và phần bên trong ghế ngồi xe hơi bằng tấm thép DC04 dày 0,8 mm

Nĩi chung, thép khơng rỉ khĩ hơn thép mềm và nhơm trong tạo hình gia tăng Lý

do chính là nĩ cĩ độ chống kéo cao, hệ số hĩa bền biến dạng lớn và tính đàn hồi ngược lại cao Cĩ nhiều loại vật liệu khác cũng được thử nghiệm trên phương pháp này như đồng thau, bạc, vàng, titan, và bạch kim Trong số đĩ, titan cĩ vị trí quan trọng nhất vì những ứng dụng thường xuyên của nĩ trong sản xuất máy bay Một số mẫu thử đã được tạo hình thành cơng dùng RT12S (titan bậc 1), hơn nữa cĩ thể dùng trong tạo hình bề mặt cĩ độ sâu cao

1.2.4 Quy trình cơng nghệ gia cơng bằng phương pháp SPIF

Trong tiến trình chung SPIF, các hình dạng tự do có thể được tạo ra bằng một công cụ điều khiển CNC chuẩn, hình cầu Tiến trình bắt đầu từ phôi tấm kim loại phẳng, được đỡ trên một dàn đỡ đủ chắc chắn và đặt trên bàn của máy CNC Để gia công một bộ phận, công cụ máy thực hiện tạo một đường biên trước, tương tự hoạt động thông thường một máy phay Thuận lợi chính của phương pháp này là không cần khuôn làm cho nó trở thành một tiến trình lý tưởng cho tạo mẫu nhanh hay sản xuất theo đơn chiếc Quy trình biến dạng tạo hình cho sản phẩm được tĩm gọn trong 5 bước sau đây:

Mô hình CAD của sản phẩm được thiết kế theo

ý tưởng của nhà sản xuất hoặc khách hàng

Chọn vật liệu tấm

Tìm góc giới hạn biến dạng lớn nhất

có trong sản phẩm

Tham khảo biểu đồ giới hạn biến dạng

Bước 1

Bước 2

Lựa chọn kích thước dụng cụ tạo hình

Kiểm tra lại góc giới hạn biến dạng lớn nhất

Lập qũy đạo di chuyển cho dụng

Bước 5

Bảng 1.2: Sơ đồ quy trình gia công đơn điểm (SPIF)

Hoàn chỉnh sản phẩm (cắt gọt vật liệu dư, làm cùn cạnh sắc)

Bước 5

1.2.5 Quy trình công nghệ gia công bằng phương pháp TPIF

`

Việc tạo hình bắt đầu trên mặt ngang ban đầu của tấm, Dưỡng đặt dưới vật kẹp tấm

và tấm được tạo hình đè lên dưỡng Dụng cụ chuyển động thực hiện đi theo xung quanh dưỡng, trượt trên bề mặt của tấm và ấn (miết) tấm kim loại thành hình dạng mong muốn

và sau một vòng nó hạ xuống với những bước cố định đã được thiết kế trước Các yếu tố tạo hình chính được thể hiện trên hình 11

Mô hình CAD của sản phẩm được thiết kế theo ý tưởng của nhà sản xuất hoặc khách hàng

Tiến hành gia công trên máy phay CNC

So sánh thời gian phát triển một sản phẩm đơn chiếc giữa công nghệ tạo hình mới với một trong những phương pháp gia công truyền thống hiệnđại kháclà vuốt ép thủy lực (Hydromechanical Deep Drawing), ta thấy rõ năng suất và hiệu quả của công nghệ tạo hình kim loại tấm bằng phương pháp biến dạng gia tăng cao hơn nhiều như trong bảng so sánh sau dưới đây (bảng 1.4):

Chụp, quét biên dạng của

Thiết kế, dựng lại mô hình

0.5 ngày

Bảng 1.4: So sánh thời gian phát triển một sản phẩm đơn chiếc giữa hai phương pháp biến dạng gia tăng và vuốt ép thủy lực

1.2.6 Máy móc và dụng cụ:

1.2.6.1 Máy CNC:

Nhìn chung, tất cả máy CNC 3 trục đều thích hợp để thực hiện tạo hình gia tăng đơn điểm không đối xứng Tốc độ cao, không gian làm việc lớn và đủ độ cứng vững là thuận lợi sử dụng Máy phay luôn có sẵn nhiều thiết kế khác nhau, về không gian làm việc, tốc độ chạy dao lớn nhất, tải lớn nhất, độ cứng vững và giá thành

Sau đây là những máy có thể dùng cho quá trình gia công tạo hình gia tăng đơn điểm không đối xứng, trong hầu hết các trường hợp chúng có thể dùng cho các quá trình gia công khác, nghĩa là máy vạn năng Chỉ máy phay CNC 3 trục được sử dụng rộng rãi nhất Một nhà sản xuất đã chế tạo máy được thiết kế chuyên dụng cho tạo hình gia tăng

Do đó, nó ít linh hoạt hơn

Danh sách các loại máy có thể thực hiện tạo hình gia tăng là:

- Máy phay CNC

- Máy chuyên dụng

Hình 1.12: Máy CNC Hình 1.13: Cánh tay Robot

- Robot

Các loại máy phay thích hợp có thể được dùng:

- Máy phay dạng cầu

- Máy phay dạng cổng

- Máy phay giường

- Máy phay console

Máy tạo hình chuyên dụng cũng có sẵn trên thị trường Chúng có tốc độ chạy dao cao, không gian làm việc trung bình và được trang bị tấm giữ điều khiển được

1.2.6.2 Dụng cụ

Dụng cụ được dùng trong biến dạng gia tăng tạo hình nhìn chung rất đơn giản, cụ thể là một đầu bán cầu bằng thép cứng gắn trên một trục Cụ thể loại này được mô tả trong hình 1.14

Dụng cụ được làm từ thép cứng Vanadis 23 và đã được nhiệt luyện Vanadis 23 là thép bề mặt được nhiệt luyện hiệu quả cao được dùng làm dụng cụ cắt Cụ thể là thép hợp kim tốc độ cao Crom-Molypđen-Tungsten-vanadi, có những đặc tính sau:

Thép hợp kim này thích hợp với những dụng cụ cắt như mũi khoét, mũi doa, đầu taro, dao phay,… Độ cứng đo được là 859.30 +7.22HV Đường kính dụng cụ có thể sử dụng: 10, 12.7, 15, 20, 25mm

1.2.7 Vật liệu và phần mềm

1.2.7.1 Vật liệu

Tạo hình không dùng khuôn đã được thử nghiệm với tấm thép cacbon, thép gió (rapid steel), thép không rỉ, hợp kim nhôm, titan và thép có lớp phủ (coated steels) Kết quả tốt nhất đạt được khi tạo hình với thép, tất nhiên có xem xét đến hình dạng cuối cùng và sự đàn hồi Thép không rỉ yêu cầu lực tạo hình lớn, do đó chiều dày tấm phải nhỏ hơn khi tạo hình tấm thép thông thường Thép không rỉ cũng có độ sự đàn hồi lớn và hình dáng sản phẩm dể

bị xoắn lại trong suốt quá trình tạo hình Thép không rỉ yêu cầu nhiều chất bơi trơn khi tạo hình, và tốc độ tạo hình phải nhỏ

Khả năng tạo hình của nhôm phụ thuộc vào loại hợp kim được sử dụng Nhôm nguyên chất A1000 và A1100-0 thì dễ tạo hình Hợp kim nhôm A6XXX, chứa Mg và Si, có khả năng kém và độ nảy ngược lớn Nhôm nguyên chất được đề nghị để tạo hình nếu nó thích hợp cho sản phẩm

Titan tăng nhiệt trong suốt quá trình tạo hình và có xu hướng bị phồng lên Tạo hình những tấm có lớp phủ thì gập khó khăn do lớp phủ dể bị bong ra dưới tác dụng của dụng cụ tạo hình Nếu tấm có thể tạo hình ở bề mặt đối diện, khi đó lớp phủ ở bề mặt còn lại vẩn duy trì tốt

1.2.7.2 Phần mềm

Với sự phát triển của các phương pháp thiết kế và kỹ thuật thiết kế đồng thời, quy trình thiết kế CAD-CAPP-CAM-CNC, kỹ thuật ngược (hình 1.15), quá trình sản xuất các sản phẩm đơn chiếc hoặc loạt nhỏ hay vừa, thiết kế thử nghiệm trong công nghiệp ô tô, hàng không, y học đòi hỏi một phương pháp tạo hình đơn giản, ít tốn kém hơn, không cần khuôn, chày hay máy chuyên dùng vì số lượng sản phẩm không thể bù đắp chi phí sản xuất (khuôn, chày, máy )

Hình 1.15: Quy trình thiết kế CAD-CAPP-CAM-CNC

Tạo hình điều khiển số không dùng khuôn là một qui trình tạo hình gia tăng điều khiển số có thể tạo hình những vật liệu khác nhau thành những hình dạng phức tạp Hình dáng chi tiết được chuyển đổi từ dữ liệu CAD thông qua CAM thành dữ liệu NC Dữ liệu

NC được chuyển vào hệ thống servo 3 trục của bộ điều khiển máy

Hình 1.16: Hệ thống điều khiển của máy tạo hình dieless NC không khuôn [11]

1.2.8 Ưu và nhược điểm của phương pháp SPIF

• Tạo mẫu nhanh dễ dàng

• Vùng biến dạng dẻo nhỏ và sự gia tăng của quá trình góp phần làm tăng khả năng biến dạng, giúp tấm kim loại dễ tạo hình hơn

• Máy phay hay tiện CNC truyền thống có thể thực hiện được quá trình này

• Vì vùng tiếp xúc nhỏ và bước tăng dz nhỏ

• Chất lượng bề mặt có thể được nâng lên

• Quá trình không gây tiếng ồn

™ Nhược điểm:

• Hạn chế chính là thời gian tạo hình dài hơn nhiều so với những phương pháp tương đương như dập sâu (deep drawing)

• Giới hạn trong sản xuất nhỏ

• Kích thước chi tiết bị giới hạn bởi kích thước máy Lực không tăng

• Quá trình tạo hình phải trải qua nhiều bước

• Hạn chế lớn nhất là độ chính xác thấp do hiệu ứng đàn hồi

1.3 Tình hình nghiên cứu công nghệ phương pháp SPIF

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

SPIF là một phương pháp tạo hình kim loại tấm tiên tiến và mới hiện nay Hiện nay, chỉ có Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh cũng đang ở giai đoạn đầu nghiên cứu

về công nghệ tạo hình kim loại tấm không khuôn

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Qua tìm hiểu tình hình thế giới được biết gia công biến dạng gia tăng đã và đang được ứng dụng gần đây

Năm 1967, Leszak phát minh một phương pháp tạo hình kim loại không dùng khuôn bằng cách sử dụng chuyển động của dụng cụ được điều khiển số Phương pháp này

sử dụng một dụng cụ đơn giản, biến dạng từ từ vật liệu kim loại dạng tấm để đạt được hình dạng của sản phẩm hoàn thiện Trong thời điểm đó, khả năng áp dụng điều khiển số còn hạn chế, do vậy việc ứng dụng phương pháp này vào thực tiễn vẫn còn chưa khả thi

Những năm đầu thập niên 90, có một số nghiên cứu công bố về phương pháp này trong lĩnh vực kim loại tấm (Powell và Andrew, 1992; Iseki, 1992; Kitazawa, 1993; Matsubara, 1994) nhưng còn nhiều hạn chế trong nghiên cứu Chúng chưa trở thành một phương pháp có thể ứng dụng đại trà trong công nghiệp

Đến cuối năm 2005, phương pháp đã này trở thành một trong các chủ đề của nhiều hội nghị khoa học trên thế giới, nhiều nghiên cứu khoa học được công bố giúp từng bước hiểu rõ mối quan hệ giữa các thông số và quá trình biến dạng của công nghệ tạo hình kim lọai tấm này (Felice và Micari 2006, Hirt, Young, Jeswiet 2006)

Một số công trình tiêu biểu với những kết quả mà các nhà nghiên cứu trên thế giới

đã đạt được và những thách thức mà giới khoa học đang phải đương đầu phải kể đến:

1/-“Biểu đồ giới hạn công nghệ tạo hình(FLD) bằng biến dạng gia tăng không truyền

thống” của các tác giả J.Jeswiet, D Young, D Ham, đai học Queen’s, Canada

Các tác giả đã xây dựng biểu đồ giới hạn tạo hình (Forming Limits Diagram-FLD) cho

5 mẫu thử có hình dáng khác nhau được vẽ biểu đồ biến dạng kết hợp với góc tạo hình và các dạng cong được khảo sát được dùng để tiên đoán kết quả cho các dạng tương tự

2/- “ Những sự biến đổi độ dày thành vách trong phương pháp biến dạng gia tăng

đơn điểm” của tác giả D Young-ĐH Saarland Saarbrücken, Germany và J Jeswiet – ĐH Queen's Kingston, Ontario, Canada Mục đích của nghiên cứu này đã đưa ra một số biện

pháp kỹ thuật để cải thiện độ dày cuối cùng của bề dày tấm.[10]

3/- “Giả lập 3 chiều về công nghệ tạo hình biến dạng gia tăng, thực nghiệm và cải tiến quá trình thiết kế ”CIMNE, Hội nghị lần VIII về tính toán và chất dẻo tại Bercelona 2005, nghiên cứu của các tác giả G Ambrogio, L.Filice, F,Gagliadi và F Micari, đại học Calabria, Cosenza đã xây dựng mô hình dự đoán và so sánh bề dầy một sản phẩn nón cụt bằng thực nghiệm và mô hình số [5]

4/-“ Tạo hình kim lọai tấm bằng biến dạng gia tăng bất đối xứng” của các tác giả

J.Jeswiet (đại học Queen’s, Canada), F.Micari (đại học Palermo, Ý), G Hirt (đại học Aachen, Đức), A.Bramley (đại học Bath, Anh), J.Duflou (đại học Thiên chúa giáo Leuven, Bĩ),J.Allwood (đại học Cambridge, Anh)[11]

Đây là công trình có giá trị nhất vì tập trung các nhà khoa học nổi tiếng về lĩnh vực này Nội dung trình bày tổng hợp về các nghiên cứu hiện nay và phương pháp tạo hình mới bằng biến dạng gia tăng bất đối xứng, kết hợp đường chạy dao xoắn ốc của Filice, một số ứng dụng của phương pháp tạo hình này trong chế tạo nồi dùng năng lượng mặt trời và ứng dụng trong y học Công trình cũng chỉ ra các thách thức mà công nghệ tạo hình mới này cần được nghiên cứu và phát triển, bao gồm:

- Nghiên cứu biến dạng đàn hồi sau gia công để có thể đạt được độ chính xác hình học 1,5mm

- Nghiên cứu, phát triển mô hình dự đoán các giới hạn tạo hình cho các trường hợp: vật liệu khác nhau, bề dày tấm khác nhau, hình dáng dụng cụ và tốc độ gia công khác nhau… Xây dựng mối quan hệ giữa góc gia công và biến dạng tối đa

- Nghiên cứu phát triển mô hình dự đoán chung về hình dạng, biểu đồ giới hạn tạo hình FLD và biến dạng đàn hồi

- Tìm giải pháp để có thể ứng dụng phương pháp tạo hình này cho các trường hợp sản xuất hàng loạt lớn, hàng khối

- Kết hợp mô hình số và mô hình thực nghiệm để phát triển giải thuật bù trừ co giãn sau gia công

5/-“Công nghệ tạo hình bằng biến dạng gia tăng vật liệu nhôm AA3003” của các tác

giả M.Ham và J,Jeswiet, đại học Queen’s, Canada nghiên cứu ảnh hưởng của một số

thông số như bề dày tấm, đường kính dụng cụ và lượng chạy dao đến góc giới hạn tạo hình Kết quả nghiên cứu cho thấy góc giới hạn tạo hình tỉ lệ nghịch với đường kính dụng

cụ tạo hình, tỉ lệ thuận với bề dày tấm và lượng xuống dụng cụ theo phương Z.[8]

6/- “Xác định các thông số vật liệu để dự đoán lực biến dạng cần thiết trong phương

pháp biến dạng gia tăng đơn điểm” của nhóm nghiên cứu Bouffioux, Chantal, Eyckens,

P Henrard, Christophe, Aerens, R Van Bael, A Sol, H Duflou, J.R Habraken, Anne ở một trường ĐH Bỉ. Mục đích của nghiên cứu này là phát triển một phương pháp nghịch đảo để điều chỉnh các thông số vật liệu cho phương pháp biến dạng gia tăng Các tác giả nghiên cứu đã dùng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng các vị trí hư hỏng có thể xảy ra khi thay đổi các thông số của vật liệu Phương pháp này giúp giảm chi phí và thời gian thí nghiệm

1.3.3 Ứng dụng phương pháp SPIF gia công những sản phẩm công nghiệp

Phương pháp SPIF thích hợp cho sản xuất đơn chiếc hay loạt nhỏ Nó cũng có thể

được dùng cho tạo mẫu, có thể sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau với cùng một thiết

bị mà thời gian thiết lập (setting) ngắn Chi tiết tạo hình chỉ cần thêm một dụng cụ hỗ trợ (support tool), dụng cụ này thay đổi rất dể dàng và nhanh chóng Nếu dụng cụ hỗ trợ được làm từ vật liệu như gỗ và polymers, nó cũng được chế tạo rất nhanh chóng và dể dàng

Công nghệ này hoàn toàn có thể sử dụng trong các công ty sản xuất các sản phẩm

từ kim loại tấm Nó đặc biệt hữu dụng cho các phòng phát triển sản phẩm muốn tạo sản

phẩm mẫu nhanh Lợi thế lớn nhất của công nghệ này là thời gian gia công sản phẩm ngắn, từ lúc hình thành bản vẽ CAD đến hoàn thành mẫu trên máy CNC là chỉ độ trung bình vài giờ tùy thuộc vào mức độ phức tạp hình học và yêu cầu chất lượng bề mặt sản phẩm sau khi tạo hình (nếu so với vài ngày như các phương pháp tạo mẫu tấm khác) Nó càng trở nên đặc biệt hữu ích nếu như kết hợp với máy quét mẫu có sẵn (được ứng dụng trong y học)

- Ứng dụng công nghiệp thiết kế thử nghiệm xe máy – ô tô: Công nghệ này có thể ứng dụng trong việc tạo hình tấm cách nhiệt gắn trên ống xả xe máy, vỏ bình xăng, chóa đèn xe… Các bộ phận của xe ô tô Các công ty có thể ứng dụng tại Việt nam như Honda Vietnam, Mecedes Benz, Mekong…

- Vỏ bao sản phẩm: vỏ tủ lạnh, bình xăng, vỏ ô tô, xe gắn máy vv Các công ty có thể ứng dụng như VinaPro, Cơ khí Hữu Toàn, Vikyno…

- Thiết kế dạng các sản phẩm gia dụng: xoong, chảo, nắp xoong-chảo, khay… Các công ty có thể ứng dụng như: Kim Hằng Metal…

- Sản phẩm y học: máng kẹp răng trong nha khoa, chi tiết chân tay giả trong y khoa, mảnh ghép hộp sọ vv Có thể ứng dụng trong việc tạo lại hình các bộ phận giả trong các khoa tạo hình của các bệnh viện

- Thiết kế chế tạo thử các Pallet, Thùng rác, sóng, vỏ tivi, vi tính – Các công ty có thể ứng dụng như: Nhựa Long Thành

1.4 Mục tiêu, nội dung và phạm vi nghiên cứu đề tài

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Công nghệ SPIF đã và đang được triển khai ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau đặc biệt là trong các lĩnh vực kỹ thuật điện và điện tử, công nghiệp chế tạo, công nghiệp sản xuất hàng tiêu dùng, y tế

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là “Ứng dụng công nghệ SPIF gia công tạo hình kim loại tấm trong công nghiệp” Là phát triển những kỹ thuật cho thiết kế sản phẩm và

quá trình công nghệ SPIF để sản xuất linh hoạt mẫu sản phẩm kim loại tấm và sản phẩm loạt nhỏ

1.4.2 Nội dung nghiên cứu của đề tài

• Tổng quan về gia công kim loại tấm bằng phương pháp SPIF

• Thiết kế sản phẩm và đồ gá cho quá trình sản xuất bằng phương pháp SPIF

• Thực nghiệm gia công một số sản phẩm bằng phương pháp SPIF

• Đánh giá hiệu quả gia công bằng phương pháp SPIF

1.4.3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Những phương pháp sản xuất loạt nhỏ hiện đang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp Tạo hình gia tăng là một phương pháp mới cho những chi tiết dạng tấm, phương pháp này đem đến nhiều khả năng hơn trong việc tạo hình kim loại tấm Những hình dạng mà trước đây không thể tạo hình hoặc rất đắt khi tạo mẫu thì bây giờ có thể thực hiện được

Qua phần trình bày và phân tích các nghiên cứu trong nước và trên thế giới có liên quan đến đề tài, ta có thể đưa ra phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu thiết kế đồ gá cho phương gia công SPIF và TPIF điểm

Nghiên cứu thực nghiệm phương pháp gia công SPIF điểm và TPIF điểm Cụ thể, thực hiện gia công các sản phẩm trong các lĩnh vực:

- Các sản phẩm gia dụng: máy khoan cầm tay, đĩa, gạt tàn thuốc…

- Các sản phẩm ứng dụng trong công nghiệp: vỏ lốc máy xe SH, đèn trước xe Atilla, mâm xe ôtô…

- Các sản phẩm thuộc trang trí mỹ thuật: mẫu mặt người, logo…

- Các sản phẩm thuộc lĩnh vực y khoa: họp sọ người, chân người…

Chương 2: THIẾT KẾ SẢN PHẨM VÀ ĐỒ GÁ CHO QUÁ TRÌNH SẢN

XUẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP SPIF 2.1 Đặc điểm những sản phẩm có thể biến dạng gia tăng

Dựa trên các ưu nhược điểm của công nghệ SPIF và TPIF ta có thể đưa ra các yếu tố cần thiết cho một sản phẩm sẽ gia công bằng hai công nghệ trên:

- Biên dạng các sản phẩm phải có góc biến dạng α nhỏ hơn góc biến dạng lớn nhất αmax Góc biến dạng αmax là xác định đối với từng loại vật liệu và chế độ gia công Giá trị của góc αmax được xác định dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm và có thể tra trên biểu đồ giới hạn biến dạng (FLD) hay tính toán trên các công thức hồi quy thực nghiệm Sản phẩm có thành dốc đứng 900 không thể thực hiện bằng công nghệ SPIF và TPIF trên máy CNC 3 trục

- Để tránh ảnh hưởng của hiệu ứng vỏ cam (organge peel) thì góc biến dạng α cũng không nên thiết kế quá nhỏ (>10-150)

- Tiết diện ngang của sản phẩm phải nhỏ dần theo chiều xuống dụng cụ (nếu sử dụng máy CNC năm trục dùng công nghệ TPIF thì điều kiện này có thể bỏ qua)

- Không nên thiết kế sản phẩm có nhiều góc cạnh sẽ gây ra tình trạng tập trung ứng suất tại các góc làm rách vật liệu Tốt nhất nên thiết kế sản phẩm theo các hình dạng có tâm đối xứng hay trục đối xứng

Riêng đối với công nghệ TPIF, có thể gia công được các sản phẩm có hình dạng mấp mô trên mặt đáy theo hình dạng của dưỡng đỡ mà công nghệ SPIF không thực hiện được

Về khả năng công nghệ của SPIF và TPIF có thể chia ra theo bảng sau:

Tùy vào yêu cầu trên sản phẩm và khả năng công nghệ của SPIF và TPIF mà ta chọn

phương pháp gia công phù hợp

2.1.1 Xác định yêu cầu kỹ thuật

• Đối với trường hợp đơn điểm (SPIF)

Khi thiết kế các sản phẩm áp dụng công nghệ biến dạng gia tăng đơn điểm (SPIF) ta

cần chú ý đáp ứng các yêu cầu sau:

- Góc nhọn hợp bởi tiếp tuyến tại mọi điểm trên biên dạng của sản phẩm so với

phương ngang (góc biến dạng α) phải nhỏ hơn góc biến dạng lớn nhất cho phép của vật

liệu (góc giới hạn biến dạng αmax) Giá trị của góc giới hạn biến dạng có thể tra được trên

biểu đồ giới hạn biến dạng FLD (Forming Limit Diagram) tương ứng với từng vật liệu và

chế độ gia công Một cách khác là sử dụng kết quả của phương trình hồi quy góc biến

dạng lớn nhất ứng với nhôm AA1050H với các chế độ gia công xác định

- Ngay cả khi điều kiện về góc biến dạng lớn nhất được thỏa thì cũng còn nhiều yếu

tố ảnh hưởng đến khả năng sản phẩm bị rách Một trong các yếu tố đó là sự thay đổi

hướng đột ngột của biên dạng thiết kế Có một thực tế là đối với các mẫu thực nghiệm có

biên dạng tròn xoay thì góc αmax có giá trị cao hơn các biên dạng có sự thay đổi hướng đột

ngột – ví dụ như đối với các mẫu kim tự tháp cụt thì góc αmax nhỏ hơn trường hợp côn

thẳng từ 5 – 10o Điều này có thể được giải thích chủ yếu là do sự tập trung ứng suất tại các thành góc vuông gây ra

- Ngược lại với góc biến dạng lớn nhất là trường hợp biên dạng thiết kế có độ dốc quá thấp Khi đó sẽ xảy ra hiện tượng “vỏ cam” – nghĩa là dụng cụ tạo hình sẽ tạo ra các vết chạy dao rời rạc trên bề mặt sản phẩm giống như một quả cam bị bóc vỏ, gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng bề mặt Khi thiết kế mô hình sản phẩm cũng nên tránh trường hợp này

- Ngoài ra do đặc điểm của công nghệ biến dạng gia tăng đơn điểm là sự biến dạng

từ từ của vật liệu dạng tấm dưới tác dụng xuống đều của dụng cụ tạo hình theo phương z

mà không có vật đỡ phía dưới nên ta không thể áp dụng thiết kế cho các biên dạng vừa có phần lồi và lõm trên cùng một phương z

- Khi thiết kế mô hình CAD cho sản phẩm cũng nên lưu ý đến kích thước của dụng

cụ tạo hình Nếu như ta thiết kế biên dạng có các thành cách nhau nhỏ hơn đường kính dụng cụ thì sẽ không thể gia công được

- Do khi tạo hình càng sâu thì chiều dày của thành sản phẩm sẽ mỏng đi đáng kể nên chiều sâu của mô hình CAD cũng là một thông số cần quan tâm Thông thường đối với nhôm mác A1050H, độ dày 1 mm thì độ sâu nên thiết kế vào khoảng 50 đến 70 mm

• Đối với trường hợp hai điểm (TPIF)

So với công nghệ biến dạng gia tăng đơn điểm (SPIF) thì công nghệ biến dạng gia tăng hai điểm (TPIF) có nhiều thuận lợi hơn khi thiết kế sản phẩm Nhờ có dưỡng đỡ bên dưới nên công nghệ TPIF có khả năng tạo được các sản phẩm có biên dạng lồi lõm theo phương z Đối với các chú ý khác khi thiết kế sản phẩm hai điểm cũng tương tự như các vấn đề đã nêu ở phần thiết kế sản phẩm đơn điểm