Nghiên cứu thiết kế máy ISF

Công nghệ sử dụng một dụng cụ tạo hình được điều khiển số thông qua máy tính, giúp cho quá trình tạo hình sản phẩm được kết nối linh hoạt với giai đoạn thiết kế mô hình CAD.. Phương pháp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN NGỌC TÂM

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY ISF

Chuyên ngành: Chế tạo máy

Mã số ngành: 605204

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HCM, tháng 06 năm 2013

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

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

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 TS Dương Minh Tâm

2 PGS.TS Nguyễn Thanh Nam

3 PGS.TS Phan Đình Huấn

4 PGS.TS Phạm Huy Hoàng

5 TS Tôn Thiện Phương

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Ngọc Tâm ; MSHV: 11040399

Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1980 ; Nơi sinh: An Giang

Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy ; Mã số : 60.52.04

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu thiết kế máy ISF

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nghiên cứu tổng quan xung quanh đề tài luận văn

2 Xây dựng cơ sở tính toán cho công nghệ ISF

3 Thiết kế sơ bộ cho máy ISF

4 Tính toán thiết kế chi tiết cho máy ISF

5 Tính toán, lựa chọn thiết bị điều khiển cho máy ISF

6 Xây dựng phần mềm tự động hóa quá trình thiết kế

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2012

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): PGS.TS Nguyễn Thanh Nam

Tp HCM, ngày 14 tháng 09 năm 2013

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Đã ký) Nguyễn Thanh Nam

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Đã ký) Trần Nguyên Duy Phương

TRƯỞNG KHOA

(Đã ký)

Nguyễn Hữu Lộc

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành Luận văn này còn có rất nhiều sự hỗ trợ Tôi muốn gửi lời cảm ơn trân trọng đến:

PGS.TS Nguyễn Thanh Nam, Người hướng dẫn chính trong suốt hành trình luận văn

Từ những tiếp cận ban đầu, hướng nghiên cứu cho đến phương pháp giải quyết từng vấn đề cụ thể, thầy đã giúp tôi từng bước giải quyết các mục tiêu, hoàn thành các nhiệm vụ đã đăng ký

PGS.TS Phan Đình Huấn, Thầy đã giúp tiếp cận nhiều trang thiết bị công nghệ hiện

đại, góp phần quan trọng trong định hướng và xây dựng các phương án thiết kế

KS Nguyễn Thiên Bình, Nhân viên thiết kế Phòng thí nghiệm trọng điểm điều khiển

số và kỹ thuật hệ thống(DCSELAB), với nhiều hỗ trợ trong tính toán chi tiết, chọn thiết bị điều

khiển, mô phỏng

ThS Lê Khánh Điền, NCV ở Phòng thí nghiệm DCSELAB, với sự hỗ trợ trong kiểm

tra các bản vẽ thiết kế, cung cấp nhiều tài liệu về công nghệ ISF góp phần xây dựng cơ sở tính toán cho luận văn

KS Đỗ Phương Đông và Lê Trần Danh, Nhân viên điện tử viễn thông Phòng thí

nghiệm DCSELAB với nhiều giúp đỡ trong xây dựng phần mềm tự động hóa quá trình thiết kế

Ngoài ra, Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến:

Tập thể các thầy cô giáo Khoa cơ khí trường Đại Học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã giúp tôi hoàn thành các khối kiến thức liên quan

Tập thể các bạn lớp cao học chế tạo máy CH.CTM11, đã cùng tôi đoàn kết gắn bó trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu

Tập thể CB, CNV Phòng thí nghiệm DCSELAB với nhiều giúp đỡ thiết thực trong thời

gian thực hiện luận văn

Và cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Nguyễn Thị Hoài Thanh, người vợ

hiền yêu quý, luôn là nguồn động viên chia sẽ, ủng hộ tôi trong suốt những năm tháng nghiên cứu và học tập ở Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh

Tp HCM, Ngày 15 tháng 06 năm 2013

Tác giả

TÓM TẮT

Trong xu thế mở cửa quan hệ quốc tế như hiện nay, nền kinh tế nước nhà đang phải đối

mặt với nhiều cạnh tranh khốc liệt Một trong những nhiệm vụ quan trọng đặt ra cho người

thiết kế là nắm bắt sự phát triển về công nghệ và giải các bài toán tối ưu cho thiết bị

Công nghệ tạo mẫu bằng biến dạng cục bộ liên tục (tên tiếng Anh là Incremental Sheet

Forming – ISF) là một công nghệ mới trong lĩnh vực tạo hình tấm Ưu điểm đáng chú ý nhất

của công nghệ là khả năng tạo hình tấm kim loại hoặc phi kim mà không cần sử dụng các bộ

khuôn mẫu phức tạp Công nghệ sử dụng một dụng cụ tạo hình được điều khiển số thông qua

máy tính, giúp cho quá trình tạo hình sản phẩm được kết nối linh hoạt với giai đoạn thiết kế

mô hình CAD Chính vì vậy, đây là một công nghệ có tiềm năng ứng dụng cao

Tuy có nhiều ưu điểm nhưng việc ứng dụng công nghệ này vào thực tiễn chưa nhiều

Nguyên nhân chính là do sự thiếu hụt máy móc thiết bị chuyên dụng, phù hợp với quá trình

gia công biến dạng dẻo Trong khi phần lớn các thiết bị hiện tại được dùng để nghiên cứu về

công nghệ này là các máy CNC, vốn được thiết kế chuyên biệt cho quá trình cắt gọt kim loại

Luận văn “Nghiên cứu thiết kế máy ISF” nhằm mục đích thiết kế máy CNC có khả

năng gia công sản phẩm tấm với các bề mặt phức tạp, không đối xứng, không dùng khuôn, góp

phần cho việc phát triển một công nghệ mới ở Việt Nam – công nghệ ISF, cả về nghiên cứu,

ứng dụng và giảm giá thành đầu tư thiết bị tương đương từ nước ngoài

Trước hết, luận văn tổng hợp lý thuyết và các nghiên cứu về công nghệ ISF Từ đó tiến

hành xây dựng cơ sở lý thuyết cho các tính toán về lực tạo hình và các yếu tố đầu vào cần thiết

cho việc thiết kế một máy CNC nhưng lại có khả năng, đặc điểm của công nghệ ISF

Để nâng cao hiệu quả cũng như độ tin cậy, luận văn xây dựng phần mềm tự động hóa

quá trình thiết kế để kiểm chứng Các chi tiết được mô hình hóa bằng Inventor, thiết kế được

kiểm tra và hiệu chuẩn kết cấu qua Abaqus

KS Nguyễn Ngọc Tâm

MỤC LỤC

Lời cảm ơn 9

Tóm tắt Error! Bookmark not defined Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 10

Danh mục bảng biểu 12

Danh mục các hình vẽ và đồ thị 13

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ MÁY GIA CÔNG ISF 18

1.1 Tổng quan về phương pháp tạo hình tấm cục bộ liên tục (ISF) 17

1.1.1 Lịch sử phát triển của phương pháp ISF 17

1.1.2 Mô tả quá trình 18

1.1.3 Khả năng biến dạng dẻo của vật liệu trong phương pháp ISF 19

1.1.4 Ưu nhược điểm của phương pháp ISF 20

1.2 Tổng quan thiết bị gia công bằng công nghệ ISF 21

1.2.1 Máy thực hiện quá trình biến dạng tấm 21

1.2.2 Dụng cụ tạo hình trong quá trình biến dạng tấm 22

1.2.3 Đồ gá kẹp tấm kim loại 24

1.3 Ảnh hưởng của thông số gia công lên khả năng tạo hình - chất lượng bề mặt và độ chính xác 25

1.3.1 Ảnh hưởng của vận tốc tiến dụng cụ F 25

1.3.2 Ảnh hưởng của tốc độ quay trục chính n 25

1.3.3 Ảnh hưởng của bước tiến dao dọc Δz 26

1.3.4 Ảnh hưởng của đường kính dụng cụ tạo hình d 26

1.3.5 Ảnh hưởng của loại vật liệu gia công 27

1.3.6 Ảnh hưởng của bôi trơn 28

1.3.7 Ảnh hưởng của đường chạy dụng cụ lên độ nhám bề mặt 28

1.3.8 Ảnh hưởng của đường chạy dụng cụ tới năng suất gia công 29

1.3.9 Ảnh hưởng của hiều dày sản phẩm trong công nghệ ISF 30

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY GIA CÔNG BẰNG ISF 31

2.1 Nguyên lý biến dạng tấm khi gia công bằng công nghệ ISF 31

2.1.1 Cơ chế biến dạng trong các phương pháp gia công tấm truyền thống 31

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẻo và biến dạng của kim loại 31

2.1.3 Khả năng biến dạng của vật liệu tấm trong phương pháp ISF 31

2.2 Tính toán các thành phần lực và ứng suất 33

2.2.1 Trạng thái ứng suất và phương trình dẻo 33

2.2.2 Mô hình tính lực thứ nhất 35

2.2.3 Mô hình tính lực thứ hai 36

2.3 Đặc tính kỹ thuật, ưu-nhược điểm từng loại thiết bị hiện có dùng để gia công theo ISF 38

2.3.1 Máy phay CNC 3 trục là loại thiết bị phổ biến nhất để gia công trong ISF 38

2.3.2 Máy chuyên dụng của hãng AMINO Inc của Nhật 39

2.3.3 Robot công nghiệp 40

2.4 Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế tổng thể máy ISF……… ……….41

2.4.1 Phân tích đặc điểm biến dạng và các yêu cầu cho máy gia công bằng ISF 41

2.4.2 Lựa chọn phương án thiết kế máy ISF 42

2.4.3 Lựa chọn phương án thực hiện chuyển động 42

2.5 Đánh giá và lựa chọn phương án 45

2.6 Lựa chọn phương án thiết kế từng cụm chi tiết 46

2.6.1 Sơ đồ động của máy 46

2.6.2 Động cơ 47

2.6.3 Bộ phận truyền động 50

2.6.4 Bộ phận dẫn hướng 51

2.6.5 Lựa chọn phương án thiết kế cụm chuyển động quay của trục chính 53

2.7 Tóm tắt các phương án thiết kế 53

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC MÁY ISF 55

3.1 Cơ chế biến dạng trong công nghệ biến dạng cục bộ liên tục ISF 55

3.2 Mô hình phân tích 55

3.2.1 Mô hình động lực học của dụng cụ tạo hình 55

3.2.2 Khảo sát động lực học của dụng cụ tạo hình 56

3.3 Tính toán động lực học quá trình tạo hình 59

3.3.1 Tính các thành phần lực 59

3.3.2 Moment tác dụng trên dụng cụ tạo hình 63

3.3.3 Công suất 64

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ SƠ BỘ KẾT CẤU MÁY ISF 67

4.1 Những định hướng thiết kế ban đầu 68

4.2 Thiết kế sơ bộ cụm di chuyển phương x, y, z 68

4.2.1 Yêu cầu của bàn máy và cụm trục chính 68

4.2.2 Kết cấu cụm trục chính 68

4.3 Thiết kế sơ bộ khung máy, đế máy, bàn máy, đầu gắn dụng cụ tạo hình 70

4.3.1 Thiết kế khung máy 70

4.3.2 Hệ thống đế máy 70

4.3.3 Hệ thống trụ đỡ cầu trục và cầu trục 71

4.3.4 Lựa chọn bàn máy 73

4.3.5 Lựa chọn đầu gắn dụng cụ tạo hình 74

4.4 Thiết kế các chi tiết truyền động chính 74

4.4.1 Trục vít me đai ốc 74

4.4.2 Các xích động của máy ISF 75

4.4.3 Thiết kế sơ bộ phần điều khiển 76

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CHI TIẾT CHO MÁY ISF 79

5.1 Đặt vấn đề 79

5.1.1 Các yêu cầu thiết kế 79

5.1.2 Xác định lực gia công 79

5.2 Tính toán thiết kế cụm trục chính 80

5.2.1 Các yêu cầu ban đầu 80

5.2.2 Chọn vật liệu 81

5.2.3 Tính toán các thông số lực cắt và so sánh với lực tạo hình 82

5.2.4 Tính toán đường kính trục 85

5.2.5 Tính toán rung động cho trục chính 87

5.2.6 Tính độ võng trục chính 88

5.2.7 Tính toán ổ lăn 90

5.3 Tính toán thiết kế cụm trục vít 93

5.3.1 Xác định đường kính trong của ren theo độ bền kéo 93

5.3.2 Xác định các thông số của bộ truyền vít me đai ốc 94

5.3.3 Moment quay đai ốc 95

5.3.4 Tính kiểm nghiệm về độ bền 95

5.4 Tính toán thiết kế hệ băng trượt X,Y và Z 94

5.4.1 Tính và chọn băng trượt 966

5.4.2 Kiểm tra bền hai dầm ngang phương Y 98

5.5 Tính chọn nối trục 100

5.6 Tính toán công suất và chọn động cơ cho trục truyền động và trục chính 101

5.6.1 Chọn động cơ trục Z 101

5.6.2 Chọn động cơ dẫn động trục chính 101

5.6.3 Chọn động cơ trục X, Y 102

CHƯƠNG 6 MÔ HÌNH HOÁ VÀ MÔ PHỎNG MÁY 103

6.1 Mô hình hóa thiết kế máy 103

6.1.1 Hệ thống đế máy 103

6.1.2 Hệ thống khung máy 1033

6.1.3 Hệ thống mang cụm trục Z 107

6.1.4 Cụm di chuyển theo trục Z 109

6.1.5 Cụm trục chính 110

6.1.6 Mô hình hóa tổng quát máy 111

6.2 Phân tích biến dạng và ứng suất 112

6.2.1 Phân tích mô hình trên ABAQUS 113

6.2.2 Kết quả phân tích mô phỏng 120

CHƯƠNG 7 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ TÍNH CHỌN BỘ ĐIỀU KHIỂN 125

7.1 Sơ đồ điều khiển 125

7.2 Những yêu cầu cơ bản của bộ điều khiển 125

7.3 Phương án điều khiển và lựa chọn bộ điều khiển 127

7.3.1 Phương án điều khiển 127

7.3.2 Lựa chọn bộ điều khiển 128

CHƯƠNG 8 XÂY DỰNG PHẦN MỀM TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ 134

8.1 Các vấn đề chung khi xây dựng phần mềm tự động hóa thiết kế 136

8.1.1 Nội dung xây dựng phần mềm tự động hóa quá trình thiết kế 134

8.1.2 Phương pháp lập trình tính toán thiết kế 135

8.1.3 Những quy định chung khi lập trình 136

8.2 Xây dựng các module cho phần mềm tự động hóa thiết kế 141

8.2.1 Xây dựng phần mềm tự động thiết kế bộ truyền đai 141

8.2.2 Xây dựng phần mềm tự động thiết kế bộ truyền vitme-đai ốc 143

8.2.3 Xây dựng phần mềm tự động thiết kế ổ lăn 144

8.2.5 Xây dựng phần mềm tự động thiết kế lò xo 150

8.2.6 Xây dựng phần mềm tự động thiết kế mối ghép ren 150

CHƯƠNG 9 TỔNG KẾT 151

2 Đánh giá các mục tiêu và ý nghĩa của luận văn 153

3 Kết luận và kiến nghị 154

TÀI LIỆU THAM KHẢO 155

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu và

chữ viết tắt Giải thích ý nghĩa Ghi chú

ISF Incremental Sheet Forming Công nghệ tạo hình kim loại tấm

bằng biến dạng gia tăng

αmax Góc biến dạng tạo hình giới hạn Góc nhọn lớn nhất hợp bởi bề

mặt tấm kin loại và thành gia công để tấm không bị rách

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2 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.[17] 27

Bảng 2 2 Bảng đánh giá các phương án 46

Bảng 2 3 So sánh động cơ AC và DC servo 47

Bảng 2 4 Tóm tắt phương án thiết kế 48

Bảng 3 1 Giá trị các ứng suất và biến dạng tính toán 56

Bảng 5 1 Lực gia công cho mô hình tính lực tạo hình 1 và 2 74

Bảng 5 2 Đặc tính máy gia công 75

Bảng 5 3 Bảng thông số dụng cụ cắt 76

Bảng 5 4 Bảng tóm tắt các thông số gia công của máy 79

Bảng 5 5 Bảng tính toán giá trị đường kính vít me 92

Bảng 5 6 Bảng hệ số bền của băng trượt bi 95

Bảng 7 1 Thông số chung của bộ điều khiển 127

Bảng 7 2 Thông số làm việc của bộ điều khiển 127

Bảng 8.1 Dạng đai được chọn theo tỉ số truyền và vận tốc dự đoán………138

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 1 Đường chạy dao cho dạng hình côn 18

Hình 1 2 Biểu đồ sơ lược của quá trình tạo hình kim loại tấm cục bộ liên tục 18

Hình 1 3 Hai loại cơ bản của quá trình tạo hình cục bộ liên tục 19

Hình 1 4 Các loại dụng cụ tạo hình 22

Hình 1 5 Đồ gá kẹp khi gia công bằng phương pháp ISF 24

Hình 1 6 Đồ gá được lắp trên máy phay đứng 24

Hình 1 7 Biểu đồ FLD cho quy trình ISF trên hợp kim nhôm EN AW-1060 [12] 27

Hình 1 8 Đường chạy dụng cụ đơn giản nhất được sử dụng trong ISF [14] 28

Hình 1 9 Những đường chạy dụng cụ khác nhau gần kiểu xoắn ốc [14] 29

Hình 1 10 Hai đường chạy dụng cụ khác nhau ảnh hưởng lên thời gian gia công 29

Hình 1 11 Chiều dày sản phẩm trong công nghệ ISF[3] 30

Hình 2 1 Xô lệch mạng tinh thể trong cấu trúc của kim loại 31

Hình 2 2 Biểu đồ FLD của các thông số vật liệu cho trong bảng 1.1[17] 32

Hình 2 3 Các dạng ứng suất tác dụng vào phần tử vật liệu 33

Hình 2 4 Các thành phần lực 35

Hình 2 5 Mô hình ước lượng lực dọc trục (a) và lực trong mặt phẳng ngang (b) 36

Hình 2 6 Đồ thị biến thiên những thành phần lực tạo hình theo chiều sâu gia công 37

Hình 2 7 Ảnh hưởng của tính dị hướng đàn hồi lên tải trọng tạo hình Fx 38

Hình 2 8 Thiết lập TPIF được đăng ký phát minh bởi Matsubara và Amino 39

Hình 2 9 Mẫu máy thương mại và bảng đặc tính của Amino Corp 39

Hình 2 10 Quá trình ISF với một hoặc hai robot 40

Hình 2 11 Các chuyển động tạo hình và các cụm chức năng cần có 42

Hình 2 12 Phương án bàn máy cố định 43

Hình 2 13 Cấu trúc chuyển động bàn máy di chuyển theo hai phương 44

Hình 2 14 Phương án bàn máy di chuyển theo một phương 45

Hình 2 15 Sơ đồ động cụm chuyển động quay 47

Hình 2 16 Vitme – đai ốc bi 49

Hình 2 17 Kết cấu băng trượt ma sát trượt 51

Hình 2 18 Băng trượt ma sát lăn 51

Hình 2 19 Kết cấu của một con trượt bi 51

Hình 2 20 Kết cấu trục chính sơ bộ 53

Hình 3 1 Các thành phần ứng suất xuất hiện trên tấm 56

Hình 3 2 Quan hệ giữa 3 thành phần ứng suất và ứng suất chảy Y theo[22] 57

Hình 3 3 Sơ đồ tính lực, moment và công suất tạo hình lúc chạy dụng cụ xuống 58

Hình 3 4 Lực, moment và công suất khi chạy dụng cụ theo phương Sx, Sy 61

Hình 3 5 Đồ thị miêu tả lực tác dụng theo phương x tương ứng với góc tạo hình 65

Hình 4 1 Cơ cấu trục chính của một máy CNC (trái) và đầu dụng cụ kẹp trên trục chính đang thực hiện nguyên công cắt gọt (phải) 68

Hình 4 2 Mô hình hóa phần đế máy trên Inventor 71

Hình 4 3 Kết cấu tổng thể cụm cầu trục - trụ đỡ 71

Hình 4 4 Thiết kế đế máy với gân tăng cứng 73

Hình 4 5 Lựa chọn bàn máy phù hợp kích thước hành trình 73

Hình 4 6 Đồ thị quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của hai dạng vít me đai ốc 74

Hình 4 7 Cấu tạo vít me đai ốc bi 75

Hình 4 8 Xích động học cơ bản của máy điều khiển số 75

Hình 4 9 Các thành phần động cơ servo 78

Hình 5 1 Mẫu dụng cụ cắt lựa chọn để tính toán 81

Hình 5 2 Mô hình hóa bài toán tính trục 84

Hình 5 3 Chuôi dao theo tiêu chuẩn DIN 86

Hình 5 4 Mô hình tính võng trục 88

Hình 5 5 Mô hình tính toán ổ lăn 90

Hình 5 6 Đồ thị tra ứng suất ζmax 96

Hình 5 7 Mô hình tính lực của băng trượt 97

Hình 5 8 Thông số của băng trượt X, Y 98

Hình 5 9 Mô hình lực của dầm ngang Y 99

Hình 6 1 Mô hình hóa phần đế máy trên Inventor 103

Hình 6 2 Vị trí đặt cụm dẫn động theo phương Y 104

Hình 6 3 Quan hệ tương quan giữa đế máy và các bộ phận khác 104

Hình 6 4 Kết cấu tổng thể khung máy 105

Hình 6 5 Phần chân lắp ráp với đế của khung máy 106

Hình 6 6 Hệ thống các gân tăng cứng của khung máy 106

Hình 6 7 Vùng lắp chi tiết đỡ trục X và cụm ống mang bảng điều khiển 107

Hình 6 8 Chi tiết mang cụm trục Z lắp trên khung máy 108

Hình 6 9 Các vị trí làm việc của chi tiết mang cụm trục Z 109

Hình 6 10 Các bộ phận chức năng tại mặt sau của cụm di chuyển trục chính 110

Hình 6 11 Các chi tiết bố trí trên cụm trục chính 110

Hình 6 12 Mặt cắt ngang cụm trục chính 111

Hình 6 13 Toàn bộ phần cơ khí của máy được mô hình hóa trên Inventor 112

Hình 6 14 Giao diện khởi động và các module chức năng của ABAQUS 114

Hình 6 15 Mô hình khung máy phân tích từ phần mềm CAD 114

Hình 6 16 Chọn mô-đun xác định vật liệu khung 115

Hình 6 17 Bảng xác định đặc tính vật liệu 116

Hình 6 18 Gán vật liệu cho mô hình 116

Hình 6 19 Xác định thời gian và kiểu phân tích 116

Hình 6 20 Một đối tượng được tạo ra sau khi lắp ráp vị trí ban đầu 117

Hình 6 21 Lựa chọn yếu tố đầu ra cho phân tích 118

Hình 6 22 Thiết lập điều kiện biên cho mô hình 118

Hình 6 23 Xác định tải trọng lên dụng cụ tạo hình 118

Hình 6 24 Mô hình sau khi được chia lưới 119

Hình 6 25 Phần chia lưới áp dụng cho trục chính, trụ đỡ và cầu trục dạng Hex 119

Hình 6 26 Quá trình phân tích đang tiến hành 120

Hình 6 27 Kết quả phân tích ứng suất trên toàn mô hình 121

Hình 6 28 Sự tập trung ứng suất tại các gân tăng cứng trên cầu trục 121

Hình 6 29 Mặt biểu diễn ứng suất tại vị trí đạt ứng suất cao nhất 121

Hình 6 30 Chuyển vị tương đương theo các phương 122

Hình 6 31 Chuyển vị theo phương trục Y 123

Hình 6 32 Chuyển vị theo phương trục X 123

Hình 6 33 Chuyển vị theo phương trục Z 123

Hình 7 1 Sơ đồ gia công của thiết bị 125

Hình 7 2 Giản đồ điều khiển máy 126

Hình 7 3 Giải pháp điều khiển DNC 128

Hình 7 4 Giao diện phần mềm Mach3Mill 129

Hình 7 5 Các thiết lập ngõ ra cho Mach3 129

Hình 7 6 Bảng điều khiển của bộ điều khiển 131

Hình 8 1 Sơ đồ tính toán bộ truyền đai dẹt 142

Hình 8 2 Giao diện chính module tính toán thiết kế bộ truyền đai 143

Hình 8 3 Sơ đồ tính vit đai ốc với ma sát lăn 144

Hình 8 4 Giao diện chính module bộ truyền vit đai ốc ma sát lăn 145

Hình 8 5 Giao diện chính module bộ truyền vit đai ốc ma sát trượt 145

Hình 8 6 Giao diện module tính chọn ổ lăn 146

Hình 8 7 Sơ đồ tính toán chọn ổ lăn 147

Hình 8 8 Sơ đồ tính toán chọn nối trục 148

Hình 8 9 Giao diện chương trình tính toán chọn nối trục 149

Hình 8 10 Sơ đồ chương trình tính toán thiết kế lò xo 150

Hình 8 11 Giao diện chính module tính toán lò xo 151

Hình 8 12 Giao diện module tính toán mối ghép ren 152

Hình 8 13 Sơ đồ chương trình tính toán mối ghép ren 152

rõ các vấn đề về công nghệ và thiết bị tạo mẫu bằng ISF

1.1 Tổng quan về phương pháp tạo hình tấm cục bộ liên tục (ISF)

1.1.1 Lịch sử phát triển của phương pháp ISF

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 theo từng lớp 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 của 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.Vấn đề về độ chính xác của phương pháp này vẫn còn là một thách thức vì thế 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)

Không giống những quá trình biến dạng kim loại tấm khác, quá trình tạo hình tấm bằng biến dạng cục bộ liên tục không yêu cầu bất kỳ chày hay khuôn chuyên dụng nào để tạo ra những hình dạng phức tạp, bởi vậy nó giống như tạo mẫu nhanh Quá trình sử dụng một dụng

cụ đầu cầu, tiêu chuẩn, đường kính có thể nhỏ hơn rất nhiều so với chi tiết được gia công Suốt quá trình biến dạng, dụng cụ di chuyển theo một chuỗi các đường cong kín theo hình dạng cuối cùng của chi tiết và biến dạng mở rộng dần cho đến hình dạng mong muốn Một ví dụ về

đường chạy dao được chỉ ra như hình 1.1

Hình 1 1 Đường chạy dao cho dạng hình côn

Sự biến dạng chỉ hạn chế trong vùng xung quanh dụng cụ Những vùng không tiếp xúc với dụng cụ sẽ không bị biến dạng

1.1.2 Mô tả quá trình

Quá trình tạo hình tấm cục bộ liên tục được dựa trên nguyên tắc gia công theo lớp, ở đây

mô hình được chia nhỏ thành từng lát cắt ngang Đường chạy dao được điều khiển số được soạn sử dụng đường viền của những lát cắt này Trong quá trình, dụng cụ tạo hình dạng bán cầu đơn di chuyển dọc theo đường chạy dao được điều khiển NC như sau (hình 1.2): dụng cụ

di chuyển xuống, tiếp xúc tấm, vẽ một đường viền trên mặt phẳng ngang, sau đó thực hiện một bước xuống, vẽ đường viền kế tiếp và cứ như thế tiếp tục cho đến khi nguyên công hoàn tất

Để soạn mã NC, người ta sử dụng phần mềm tích hợp CAD-CAM-CNC

Hình 1 2 Biểu đồ sơ lược của quá trình tạo hình kim loại tấm cục bộ liên tục

Các cạnh còn dư của tấm thường được cố định trong mặt phẳng nằm ngang bằng dụng cụ giữ tấm đặc biệt trong suốt quá trình

Có hai phương pháp cơ bản tạo hình cục bộ liên tục: tạo hình không có vật đỡ (hình 1.3a)

và tạo hình với vật đỡ (hình 1.3b), cũng được gọi tương ứng là tạo hình lõm và tạo hình lồi Thông thường, tạo hình lồi cho phép đạt kết quả tốt hơn nhưng nó phức tạp hơn

(a) (b)

Hình 1 3 Hai loại cơ bản của quá trình tạo hình cục bộ liên tục

1.1.3 Khả năng biến dạng dẻo của vật liệu trong phương pháp ISF

Khả năng biến dạng của vật liệu được đặc trưng bởi góc biến dạng lớn nhất α max Thông

số này đã được nghiên cứu trong nhiều tài liệu đã công bố trên thế giới Nó chịu ảnh hưởng bởi các thông số sau:

 Độ dày của tấm

Bề dày tấm kim loại ảnh hưởng lên góc xuống dụng cụ tạo hình lớn nhất Theo định lý Sin:

t = to.sinλ = tocosα Trong đó:

t: bề dày tấm sau khi biến dạng,

to: bề dày tấm lúc ban đầu,

α góc giới hạn biến dạng

 Tốc độ quay trục chính n

Tăng tốc độ quay trục chính có thể làm tăng khả năng gia công Sở dĩ có dự đoán như vật là do khi tăng n sẽ tăng khả năng tỏa nhiệt cục bộ tại vị trí đang gia công có thể cải thiện

khả năng biến dạng Tuy nhiên có một khía cạnh không tốt là sự mài mòn dụng cụ xảy ra rất nhanh, chất bôi trơn có khuynh hướng bị đốt cháy

 Bước tiến của dụng cụ theo phương Z

Kích thước xuống dao Δz có ảnh hưởng đến khả năng tạo hình và độ nhám bề mặt Cũng giống như khi cắt gọt kim loại, bước tiến Z lớn thì lực biến dạng lớn và độ nhám bề mặt cũng tăng lên

 Tốc độ di chuyển dụng cụ F

Thông số này cũng ảnh hưởng đến quá trình biến dạng và chất lượng bề mặt Khi tốc độ tiến dụng cụ tăng lên sẽ kéo theo sự tăng lên các ứng suất kéo và biến dạng trong vật liệu Đây cũng là một thông số quan trọng cần được xét đến trong các thí nghiệm khả năng biến dạng

 Đường kính dụng cụ tạo hình D

Đường kính dụng cụ tạo hình d là một thông số quan trọng Đầu dụng cụ là nơi tập trung sức căng khi tạo hình Khi tăng bán kính dụng cụ thì sức căng trải ra trên một vùng rộng của bề mặt đầu cầu, vì thế giảm khả năng gia công Mặt khác khi đường kính dụng cụ tăng lên, quá trình càng giống với dập truyền thống, do đó giảm giới hạn tạo hình

 Thay đổi kích thước chi tiết nhanh chóng và dễ dàng, tạo khả năng linh hoạt cao

 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 CNC truyền thống có thể thực hiện được quá trình này

 Chất lượng bề mặt có thể thay đổi được theo yêu cầu

 Quá trình biến dạng không gây tiếng ồn

 Giới hạn biến dạng cao hơn các phương pháp biến dạng dùng khuôn khác vì khi biến dạng, vật liệu dưới tấm không bị đùn lại trong lòng khuôn

Nhƣợc điểm

 Hạn chế chính là thời gian tạo hình dài hơn nhiều so với những phương pháp tương đương như dập sâu

 Kích thước chi tiết bị giới hạn bởi kích thước máy CNC

 Giới hạn trong sản xuất nhỏ, đơn chiếc

 Quá trình tạo hình phải trải qua nhiều bước

 Xuất hiện biến dạng đàn hồi

 Chất lượng bề mặt không cao, phụ thuộc vào nhiều yếu tố

 Không biến dạng được các chi tiết có dạng côn ngược

 Đường biểu diễn giới hạn biến dạng truyền thống không thể sử dụng để dự đoán các khuyết tật cũng như phá hủy chi tiết cho công nghệ này Một đường biểu diễn khác cần được xây dựng để dự đoán các khuyết tật riêng cho phương pháp này

 Khả năng biến dạng cao nhưng góc giới hạn biến dạng lại thấp (tùy thuộc vào vật liệu tấm, bước tiến Z, đường kính dụng cụ, số vòng quay…)

 Độ chính xác của biên dạng chưa cao

 Trong quá trình biến dạng đòi hỏi phải có một lượng lớn chất bôi trơn để làm giảm ma sát và nhiệt sinh ra

1.2 Tổng quan thiết bị gia công bằng công nghệ ISF

1.2.1 Máy thực hiện quá trình biến dạng tấm

Để có thể thực hiện được quỹ đạo di chuyển của dụng cụ tạo hình nhằm tạo hình sản phẩm mong muốn bằng phương pháp ISF ta cần phải có thiết bị gia công Nhìn chung, tất cả máy CNC 3 trục đều thích hợp để thực hiện Tốc độ cao, không gian làm việc lớn và đủ độ cứng vững là những yêu cầu cần thiết Sau đây là những máy có thể dùng cho quá trình gia

công ISF, trong hầu hết các trường hợp chúng có thể dùng cho các quá trình gia công khác, nghĩa là máy vạn năng:

- Máy phay CNC

- Máy chuyên dụng

- Robots

- Robot song song (Stewart platform và Hexapods)

1.2.2 Dụng cụ tạo hình trong quá trình biến dạng tấm

Hình 1 4 Các loại dụng cụ tạo hình

Vật liệu làm dụng cụ tạo hình càng cứng càng tốt để tránh mòn và biến dạng dụng cụ

Do đó tùy khả năng có thể chế tạo dụng cụ để chọn vật liệu làm dụng cụ tạo hình phù hợp Đầu dụng cụ tạo hình được chế tạo bằng hợp kim carbide, hoặc phủ một lớp chống ma sát như TiN, CrN , DLC để có thể đạt độ cứng và chống mài mòn tốt khi biến dạng các vật liệu cứng như thép hoặc inox Ngoài ra có thể dùng vật liệu thép gió hoặc thép cứng (vật liệu Vanadisr23), Vanadisr23 được sản xuất bởi Uddeholm [UDDEL].Vanadisr 23 là hợp kim tốc độ cao được

sử dụng làm công cụ cắt hoặc để làm dụng cụ tạo hình Để giảm tối đa lực ma sát giữa bề mặt sản phẩm với dụng cụ tạo hình có thể chế tạo đầu dụng cụ tạo hình là một khớp cầu trong đó viên bi lăn tròn và tiếp xúc với bề mặt sản phẩm Ma sát trượt lúc này đã được biến đổi thành

ma sát lăn

Chọn đường kính và chiều dài của dụng cụ tạo hình bao nhiêu thì tùy thuộc vào hình dáng

và kích thước của sản phẩm Tuy nhiên đường kính dụng cụ lớn thì thời gian gia công nhanh,

độ bóng đạt cao hơn tuy nhiên góc giới hạn biến dạng của tấm sẽ giảm xuống, độ chính xác về hình dáng củng giảm đi Dụng cụ tạo hình nhỏ nhất nên có đường kính 6mm, bán kính tối thiểu

là 3 mm Tuy nhiên, qua thực nghiệm người ta khuyến cáo rằng bán kính nhỏ nhất được sử dụng nên là 5mm

Ngoài ra khi thiết kế để chế tạo dụng cụ tạo hình cần chú ý hai cỡ của cán dụng cụ là 10

và 16 mm Do đó với các dụng cụ tạo hình có kích thước đường kính nhỏ hơn 10 hay từ 10-16

mm thì cần có độ côn từ cán đến đầu dụng cụ Góc này từ 10 – 15o

để đảm bảo khi gia công dụng cụ không chạm vào bề mặt dốc của sản phẩm khi gia công (hình 1.5)

Hình 1 5 Bản vẽ dụng cụ được sử dụng trong thí nghiệm

Hình 1 6 Các dụng cụ tạo hình được sử dụng trong thí nghiệm

1.2.3 Đồ gá kẹp tấm kim loại

Hình 1 7 Đồ gá kẹp khi gia công bằng phương pháp ISF

Đồ gá kẹp khi gia công bằng phương pháp biến dạng ISF đơn giản, chi phí chế tạo thấp

và dễ dàng thay đổi cho phù hợp với sản phẩm Yêu cầu kỹ thuật của đồ gá:

- Kích thước bao của đồ gá tùy thuộc vào kích thước giới hạn làm việc của 3 trục máy CNC

- Đồ gá không yêu cầu độ chính xác cao, chỉ cần đảm bảo độ cứng vững và cân bằng khi gá lắp lên bàn máy CNC

- Để tiện cho việc lắp và tháo đồ gá ra khỏi máy CNC dễ dàng, các bộ phận của đồ gá được nối ghép với nhau bằng mối ghép bulông - đai ốc

- Tấm đỡ có thể dễ dàng thay đổi tùy theo biên dạng của sản phẩm

Hình 1 8 Đồ gá được lắp trên máy phay đứng

1.3 Ảnh hưởng của thông số gia công lên khả năng tạo hình - chất lượng bề mặt và độ chính xác

Khả năng tạo hình trong công nghệ ISF được đặc trưng bởi góc biến dạng giới hạn lớn nhất α Độ chính xác về mặt kích thước hình học và chất lượng bề mặt là các yếu tố quan trọng đóng góp vào chất lượng của sản phẩm sau cùng

1.3.1 Ảnh hưởng của vận tốc tiến dụng cụ F đến khả năng biến dạng và chất lượng bề mặt

Khi tốc độ tiến dụng cụ tăng thì các ứng suất kéo sẽ tăng lên ảnh hưởng đến khả năng biến dạng khi gia công

Nếu F quá lớn thì lực biến dạng sẽ tăng lên làm rung động dụng cụ tạo hình Máy gia công bị rung động, nếu gặp biên dạng phức tạp sẽ làm tăng độ nhám và giảm góc giới hạn

Như vậy nên chọn F ở mức cao trong điều kiện dụng cụ tạo hình có thể chịu được để giảm độ nhám và tăng góc giới hạn Tăng F cũng có nghĩa là giảm thời gian gia công, tăng năng suất biến dạng tạo hình

Thực tế tăng giá trị F ở mức cao cũng rất khó khăn vì máy Phay CNC 3 trục bình thường và lập trình với phần mềm CAM thông dụng thì máy chỉ chạy đúng giá trị F đối với quỹ đạo thẳng, đường cong Đối với biên dạng phức tạp, gấp khúc, để đảm bảo độ chính xác, máy Phay CNC phải giảm tốc độ thấp mới có thể chuyển hướng di chuyển Vì thế trong quá trình thiết kế sản phẩm cần chú ý đến điều này và hạn chế bằng cách tránh thiết kế nhiều đường gấp khúc, nếu được nên bo tròn các cạnh gấp khúc bằng một cung lớn hơn bán kính dụng cụ tạo hình

1.3.2 Ảnh hưởng của tốc độ quay trục chính n lên khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt

Khi ta tăng n sẽ xảy ra sự tỏa nhiệt cục bộ tại vị trí gia công làm tăng khả năng biến dạng, do đó sẽ làm tăng khả năng gia công Tuy nhiên, nếu làm như vậy thì dụng cụ sẽ bị mài mòn rất nhanh và chất bôi trơn dễ bị đốt cháy Điều này ảnh hưởng đến an toàn khi gia công

Trong thí nghiệm của nhóm tác giả M Durante, A Formisano, A Langella, F Memola Capece Minutolo đã cung cấp những đánh giá ban đầu về hệ số ma sát Khi dụng cụ không quay, hệ số ma sát là 0,19; dụng cụ quay với tốc độ 200 hoặc 400 vòng/phút thì hệ số ma sát là

0,11; dụng cụ quay với tốc độ là 600 hoặc 800 vòng/phút thì hệ số ma sát là 0,06 Thông số n còn ảnh hưởng đến lực tạo hình ảnh hưởng đến khả năng biến dạng của vật liệu Các giá trị lực

đo được trong thí nghiệm là 460, 440, 390N ứng với tốc độ trục chính lần lượt là 0 vòng/phút,

600 vòng/phút theo chiều kim đồng hồ, và 600 vòng/phút ngược chiều kim đồng hồ Như vậy,

có thể tính được tổng lực từ việc suy ra lực biến dạng theo phương dọc từ những kết luận trên Thông số n còn ảnh hưởng đến nhiệt độ Nhiệt độ sẽ tăng lên khi số vòng quay tăng

Như vậy, số vòng quay trục chính có ảnh hưởng đến khả năng biến dạng trong quá trình gia công ISF Ta cần chọn số vòng quay thích hợp để có được khả năng biến dạng tốt nhất, mang lại độ chính xác cao cho sản phẩm gia công

1.3.3 Ảnh hưởng của bước tiến dao dọc Δz đến khả năng biến dạng và chất lượng bề mặt

Bước tiến ΔZ là bước tiến của dụng cụ tạo hình theo phương Z của máy CNC, để lại các vết trên bề mặt được hình thành sau mỗi vòng chạy Để đạt được độ nhám bề mặt theo yêu cầu

và cải thiện góc giới hạn biến dạng thì cần lưu ý một số lựa chọn ΔZ và ảnh hưởng của các lựa chọn đó như sau [10]:

+ Nếu vẫn giữ nguyên các thông số khác, giảm bước tiến ΔZ nhỏ xuống thì độ nhám giảm xuống nhưng sẽ dẫn đến thời gian biến dạng tạo hình lâu hơn

+ Tăng bước tiến ΔZ thì thời gian gia công giảm đi rõ rệt (có thể giảm 50% hoặc hơn nữa) và góc giới hạn biến dạng cũng tăng lên vì bề mặt tấm không bị mài mòn, nhưng độ nhám lại tăng không đáng kể (nếu thay bước tiến ΔZ từ 0.1 lên 0.2, thời gian gia công sẽ giảm đi một nửa mà không làm ảnh hưởng nhiều đến độ nhám bề mặt)

+ Tuy nhiên tăng bước tiến lớn hơn thì lực biến dạng cũng lớn hơn, do đó cần chú ý đến

độ cứng của tấm, bề dày tấm, khả năng chịu quá tải của trục chính và của dụng cụ tạo hình mà chọn bước tiến ΔZ Tránh tình trạng quá tải làm ảnh hưởng trục vít me hoặc gãy dụng cụ tạo hình Thường chọn ΔZ<1mm

1.3.4 Ảnh hưởng của đường kính dụng cụ tạo hình d đến khả năng biến dạng và chất lượng bề mặt

Đường kính dụng cụ tạo hình cũng có ảnh hưởng lớn đến khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt của sản phẩm Vì thế, đây cũng là một thông số quan trọng cần phải tính toán kỹ trước khi lựa chọn

Theo [10], đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm dựa trên sự thay đổi đường kính dụng

cụ tạo hình trong trường hợp giữ nguyên các thông số công nghệ khác thì:

 Đường kính dụng cụ nhỏ -> tăng góc giới hạn, tăng độ chính xác biên dạng và hình dáng sản phẩm, tăng độ nhám bề mặt

 Đường kính dụng cụ lớn -> giảm góc giới hạn, giảm độ chính xác biên dạng, giảm độ nhám bề mặt

Do đó tùy theo kích thước và hình dáng của từng sản phẩm mà ta chọn giá trị kích thước của đầu dụng cụ tạo hình sao cho thoả mãn tương đối hai yếu tố trên Để khắc phục ta có thể

sử dụng nhiều đường kính dụng cụ tạo hình cho một sản phẩm

1.3.5 Ảnh hưởng của loại vật liệu gia công đến khả năng biến dạng và chất lượng bề mặt

Đối với một loại vật liệu, nếu khi gia công ta biết được góc biến dạng giới hạn αmax, ta

có thể xác định được quy trình gia công hợp lý cho chi tiết trong quá trình thiết kế Điều này giúp quá trình gia công đảm bảo đạt yêu cầu, không xảy ra hiện tượng rách trên chi tiết

Hình 1 9 Biểu đồ FLD cho quy trình ISF trên hợp kim nhôm EN AW-1060 [13]

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để xác định các biểu đồ giới hạn biến dạng (FLD) ứng với các vật liệu khác nhau (hình 1.7) Các yếu tố đầu vào trong biểu đồ FLD là tất cả các yếu tố ảnh hưởng lên khả năng biến dạng tấm kim loại trong quá trình gia công ISF Các yếu tố này được đưa ra dựa trên các cơ sở của quá trình biến dạng như ứng suất, giới hạn chảy của vật liệu, lực tạo hình, tốc độ quay trục chính n, tốc độ tiến theo phương xy của dụng cụ tạo hình vf, bước xuống dụng cụ z và đường kính dụng cụ d

1.3.6 Ảnh hưởng của bôi trơn đến khả năng biến dạng và chất lượng bề mặt

Bôi trơn xuất hiện là một nhân tố quan trọng trong tạo hình kim loại tấm Nó có tác dụng giảm ma sát tại mặt tiếp xúc giữa dụng cụ-chi tiết và cải thiện chất lượng bề mặt Quá trình bôi trơn khác nhau tùy thuộc vào vật liệu tấm và quá trình tạo hình khác nhau (ASM, 2006) Thí nghiệm đã cho thấy, nếu dầu bôi trơn có đặc tính thấp thì vật liệu sẽ bị cào xước và những hạt nhỏ kim loại bị chùi, nó có thể để lại những vết hằn trên bề mặt Vì vậy, bôi trơn trong ISF khá quan trọng Tuy nhiên, việc chọn lựa thành phần dầu bôi trơn cho những loại vật liệu khác nhau cần nghiên cứu thêm

Nếu quá trình gia công không đủ chất bôi trơn, nhiệt độ tại vị trí tiếp xúc giữa dụng cụ tạo hình và phôi sẽ tăng cao cục bộ làm tăng khả năng biến dạng, tăng khả năng tạo hình nhưng sẽ gây mòn dụng cụ rất nhanh, chất bôi trơn có khuynh hướng bị đốt cháy, gây ảnh hưởng đến môi trường và tốn kém chi phí cho quá trình gia công

1.3.7 Ảnh hưởng của đường chạy dụng cụ lên độ nhám bề mặt

Đường chạy dụng cụ đơn giản nhất được mô tả trên hình 1.10 Tất cả các hệ thống CAM 3 trục hiện đại đều có khả năng tạo được đường chạy dụng cụ này

Hình 1 10 Đường chạy dụng cụ đơn giản nhất được sử dụng trong ISF [14]

Cách đơn giản nhất là dịch chuyển theo một đường thẳng như hình 1.10(a) Cách khác

có thể thấy trên hình 1.10(b), ở đây dụng cụ di chuyển đến vị trí của phân đoạn tiếp theo mà không tiến xuống (giống tiến theo trục z) và sau đó thực hiện bước xuống dụng cụ Cả hai cách trên đều gây ra đường xuống dụng cụ có thể nhìn thấy được, làm xấu chất lượng của chi tiết đáng kể

Để tránh hoặc giảm ảnh hưởng của đường xuống dụng cụ, đường chạy dụng cụ xoắn ốc được sử dụng Một vài kiểu đường chạy dụng cụ xoắn ốc được thể hiện trên hình 1.11 Trong

hình 1.11(a) là phương pháp ở đó bước xuống dụng cụ được phân tán trong diện tích lớn hơn Phương pháp mô tả trong hình 1.11(b) là một phiên bản cải tiến của phương pháp trên hình 1.11(a) Ở đây, đường xuống dụng cụ dọc là một đường xoắn ốc, vì thế nó không nhận thấy Phương pháp tốt nhất trên hình 1.11(c), ở đó đường chạy dụng cụ là xoắn ốc với độ dốc không đổi Tuy nhiên, đường chạy dụng cụ sau cùng không thường xuyên có khả năng ứng dụng đối với những dạng hình học không đều

Hình 1 11 Những đường chạy dụng cụ khác nhau gần kiểu xoắn ốc [14]

1.3.8 Ảnh hưởng của đường chạy dụng cụ tới năng suất gia công

Đường chạy dụng cụ trong công nghệ ISF có ảnh hưởng rất rõ đến năng suất gia công, với cùng một biên dạng tạo hình mỗi một đường chạy dụng cụ sẽ có một thời gian khác nhau

Hình 1 12 Hai kiểu đường chạy dụng cụ khác nhau ảnh hưởng khác nhau

lên thời gian gia công [13]

Rõ ràng với chiến lược chạy dụng cụ như 1.12a thì thời gian gia công sẽ ngắn hơn rất nhiều so với chiến lược như trong 1.12b Nhưng có một vấn đề đặt ra là thời gian nhanh hơn thì độ nhám bề mặt lại tăng rất là nhiều Do vậy tùy vào yêu cầu của sản phẩm đặt ra mà chúng

ta lựa chọn chiến lược chạy dụng cụ cho phù hợp

1.3.9 Chiều dày sản phẩm trong công nghệ ISF

Độ dày của sản phẩm là một giá trị cần được kiểm soát Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến giá trị này mà ảnh hưởng lớn nhất là góc biến dạng Chiều dày của sản phẩm dọc theo thành tuân theo quy luật sin [4]

Hình 1 13 Chiều dày sản phẩm trong công nghệ ISF[4]

Như vậy, khi sản phẩm có yêu cầu về chiều dày sau khi gia công thì ta có thể kiểm soát được thông qua góc giới hạn biến dạng Từ đó, có thể đảm bảo được cơ tính, yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm sau cùng

Từ những nội dung tổng quan ban đầu, chương tiếp theo sẽ nghiên cứu về cơ sở tính toán và các phương án thiết kế máy ISF

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

MÁY GIA CÔNG BẰNG ISF

Chương hai trình bày cơ sở tính toán và việc lựa chọn phương án thiết kế máy ISF, bao gồm các nội dung: Tìm hiểu nguyên lý biến dạng tấm khi gia công bằng công nghệ ISF; Tính toán các thành phần lực và ứng suất; Phân tích các đặc tính kỹ thuật, các ưu-nhược điểm của từng loại thiết bị dùng để gia công theo ISF; Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế tổng thể máy; Lựa chọn phương án thiết kế từng cụm chi tiết

2.1 Nguyên lý biến dạng tấm khi gia công bằng công nghệ ISF

2.1.1 Cơ chế biến dạng trong các phương pháp gia công tấm truyền thống

Các phương pháp gia công trên tấm truyền thống đã được giới thiệu sơ lược ở chương một Các phương pháp này có một điểm chung là quá trình biến dạng kim loại xảy ra ở vùng dẻo, hay nói cách khác là kim loại có trạng thái biến dạng dẻo trong quá trình tạo hình Trạng thái của kim loại đã vượt qua vùng đàn hồi nhưng chưa đến ngưỡng phá hủy

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẻo và biến dạng của kim loại

Tính dẻo của kim loại là khả năng biến dạng dẻo của kim loại dước tác dụng của ngoại lực mà không bị phá huỷ Tính dẻo của kim loại phụ thuộc vào rất nhiều nhân tố khác nhau: thành phần và tổ chức của kim loại, nhiệt độ, trạng thái ứng suất chính, ứng suất dư, ma sát ngoài, lực quán tính, tốc độ biến dạng

2.1.3 Khả năng biến dạng của vật liệu tấm trong phương pháp ISF

Biến dạng dẻo kim loại là một quá trình chuyển dịch song song tương đối, không đồng thời giữa hai phần (lớp) rất nhỏ của mạng tinh thể

Hình 2 1 Xô lệch mạng tinh thể trong cấu trúc của kim loại

Quá trình trượt xảy ra từ từ theo một mặt và phương nhất định và ưu tiên cho những mặt

và phương có góc định hướng với ngoại lực thuận lợi, sao cho ứng suất tiếp lớn nhất trên mặt

và phương đó lớn hơn một giá trị giới hạn[11]

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 Thực nghiệm được tiến hành trên nhiều loại vật liệu khác nhau, các kết quả tạo hình được thể hiện qua các giá trị FLDo Hình 2.2 là FLD của tất cả các vật liệu trong bảng 2.1

Bảng 2 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.[19]

Hình 2 2 Biểu đồ FLD của các thông số vật liệu cho trong bảng 1.1[19]

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 là để xác định mỗi biến đầu vào ảnh hưởng lên các thông số đầu ra như thế nào Phân tích thống kê cho ta một phương trình 6 chiều [19]:

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

2.2 Tính toán các thành phần lực và ứng suất

2.2.1 Trạng thái ứng suất và phương trình dẻo

Hình 2 3 Các dạng ứng suất tác dụng vào phần tử vật liệu

Giả sử trong vật hoàn toàn không có ứng suất tiếp thì vật thể chịu 3 ứng suất chính sau:

- Ứng suất đường: ηmax= ζ1/2;

- Ứng suất mặt: ηmax= (ζ1 - ζ2)/2;

- Ứng suất khối: ηmax= (ζmax - ζmin)/2;

Nếu ζ1 = ζ2 = ζ3 thì η= 0 không có biến dạng, ứng suất chính để kim loại biến dạng dẻo

là giới hạn chảy ζch

Điều kiện biến dạng dẻo:

- Khi kim loại chịu ứng suất đường: |ζ1| = ζch hay ζmax = ζch

2

- Khi kim loại chịu ứng suất mặt: |ζ1 − ζ2| = ζch

- Khi kim loại chịu ứng suất khối:|ζmax– ζmin| = ζch

Các phương trình dẻo

Biến dạng dẻo chỉ bắt đầu sau biến dạng đàn hồi Thế năng của biến dạng đàn hồi:

Trong đó: A0– thế năng để thay đổi thể tích vật thể;

Ah– thế năng để thay đổi hình dáng vật thể

Trong trạng thái ứng suất khối, thế năng biến dạng đàn hồi theo định luật Hooke được xác định:

A = ζ1ε1 + ζ2ε2 + ζ3ε3

2 (2.2) Biến dạng tương đối theo định luật Hooke:

2 + ζ22+ ζ32 – 2μ(ζ1ζ2 + ζ2ζ3 + ζ3ζ1)] (2.4) Lượng tăng tương đối thể tích của vật trong biến dạng đàn hồi bằng tổng biến dạng trong 3 hướng vuông góc:

ζ1+ ζ2 + ζ3

1 - 2μ6E (ζ1+ ζ2 + ζ3)2(2.6) Thế năng dùng để thay đổi hình dạng của vật thể:

Ah = A – A0 = 1 + μ

6E [(ζ1- ζ2)2 + (ζ2 – ζ3)2 + (ζ1– ζ3)2] (2.7) Thế năng đơn vị để biến hình khi biến dạng đường sẽ là:

Ah = 1 + μ

6E 2ζch

2 (2.8)

Từ (2.7) và (2.8) ta có:

2.2.2 Mô hình tính lực thứ nhất

Mô hình lý thuyết đơn giản để định các thành phần lực tạo hình trong ISF được đề xuất bởi Iseki [12] 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 [12]:

 = 90º - α (2.12)

Chúng ta tập trung vào tính toán lực kéo Fz vì nó phụ thuộc vào tính chất vật liệu bao gồm tính đàn hồi không đẳng hướng Sự kéo giãn đều của tấm kim loại dưới điều kiện biến dạng phẳng được thừa nhận, bỏ qua ứng suất uốn và lực ma sát Lực kéo được tính toán xấp xỉ bằng [12]:

x o

n

a

a t

xe t R

R RK

Ra: thông số dị hướng của vật liệu,

với vật liệu đẳng hướng Ra=1

Fx: thành phần lực vuông góc nằm trong mặt phẳng ngang (N)

2.2.3 Mô hình tính lực thứ hai

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

Hình 2 5 Mô hình dùng ước lượng lực dọc trục (a) và lực trong mặt phẳng ngang (b)

Trong hình 2.5(a), dụng cụ di chuyển bình thường tới bề mặt tấm, gây một biến dạng bán cầu lên bề mặt tấm; hình 2.5(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 đàn hồi 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:

Trên hình 2.6 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 2 6 Đồ thị biến thiên những thành phần lực tạo hình theo chiều sâu gia công

Hình 2 7 Ảnh hưởng của tính dị hướng đàn hồi lên tải trọng tạo hình F x

Có thể thấy trên hình 2.7 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

2.3 Đặc tính kỹ thuật, ƣu-nhƣợc điểm từng loại thiết bị hiện có dùng để gia công theo ISF

Khi phương pháp ISF mới bắt đầu được phát triển trên thế giới, người ta sử dụng máy phay CNC 3 trục để gia công Nhìn chung, tất cả máy CNC 3 trục đều thích hợp để thực hiện Máy phay luôn có sẵn nhiều thiết kế khác nhau, nó khác nhau về không gian làm việc, tốc độ chạy dao lớn nhất, tải lớn nhất, độ cứng vững và giá thành Các loại máy có thể dùng cho quá trình gia công ISF bao gồm: Máy phay CNC; Máy chuyên dụng; Robot công nghiệp

2.3.1 Máy phay CNC 3 trục là loại thiết bị phổ biến nhất để gia công trong ISF

 Ưu điểm: thiết bị có sẵn, thông dụng, chương trình điều khiển đa dạng, dễ sử dụng

 Nhược điểm: không gian làm việc không linh hoạt, lực dọc trục hạn chế, giá thành đầu

tư ban đầu cao, chưa sử dụng hết công năng máy phay CNC

2.3.2 Máy chuyên dụng của hãng AMINO Inc của Nhật

Công ty này có thể sản xuất máy chuyên dụng cho tạo hình lồi, do tấm kẹp có thể di chuyển theo phương thẳng đứng Nó dựa trên kỹ thuật được phát triển của Matsubara và Amino và cả bằng phát minh của Aoxama được thể hiện trên hình 2.8

Hình 2 8 Thiết lập TPIF được đăng ký phát minh bởi

Matsubara và Amino (Patent US 6216508)[1]

Hình 2 9 Mẫu máy thương mại và bảng đặc tính của Amino Corp

Về kết cấu, trong thiết kế này, trục Z di chuyển theo cả 2 chiều Y và Z và đồ gá kẹp chặt thì cân bằng với di chuyển dọc trục, đồ gá kẹp chặt này di chuyển theo trục X Kết cấu