Nghiên cứu công nghệ chế tạo chi tiết chân tiếp điểm điện tử bằng công nghệ ép chảy micro kết hợp với nguồn năng lượng siêu âm 312189 ND

Nghiên cứu này bao gồm ảnh hưởng của các yếu tố trong công nghệ tạo hình các chi tiết có kích thước siêu nhỏ, trình bày phương pháp hỗ trợ việc tạo hình các chi tiết đó bằng cách sử dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- NGÔ ĐĂNG THÁI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CHI TIẾT CHÂN TIẾP ĐIỂM ĐIỆN

TỬ BẰNG CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY MICRO KẾT HỢP VỚI NGUỒN NĂNG

LƯỢNG SIÊU ÂM

CHUYÊN NGÀNH KĨ THUẬT CƠ KHÍ

a Nguyên công đầu; b Nguyên công tiếp theo

Hình 1.4 Một số sản phẩm được tạo bởi công nghệ dập vuốt micro

Hình 1.5 Sản phẩm của quá trình uốn micro

Hình 1.6 Biên dạng, lực và moment của quá trình uốn trong khuôn và uốn tự do Hình 1.7 Sơ đồ lực tác dụng khi uốn

Hình 1.8 Quan hệ giữa góc đàn hồi và bán kính uốn tương đối

Hình 1.9 Bulong, đai ốc được tạo bởi quá trình chồn

Hình 1.10 Một số linh kiện điện tử có kích thước siêu nhỏ được tạo bởi quá

trình chồn

Hình 1.11 Sơ đồ giải thích quá trình dập thể tích

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lí dập thể tích trong khuôn kín

Hình 1.13 Một số sản phẩm của phương pháp dập thể tích trên khuôn kín

Hình 1.14 Một số sản phẩm được tạo ra bởi công nghệ dập nổi

Hình 1.15 Một số linh kiện điện tử được sản xuất nhờ công nghệ dập nổi

Hình 1.16 Khuôn và thiết bị dập nổi

Hình 1.17 Sơ đồ nguyên lí ép chảy

Hình 1.18 Sự biến dạng không đồng đều trong nguyên công ép chảy

Hình 1.19 a.Kết cấu của bộ khuôn ép chảy micro; b Chi tiết tiếp điểm điện tử Hình 1.20 a Máy ép micro; b Máy và khuôn cắt uốn liên tục

Hình 1.21 Một số kết cấu khuôn dập các chi tiết siêu nhỏ

Hình 1.22 Máy ép micro sử dụng tay gạt

Hình 1.23 Máy dập siêu nhỏ của công ty Masmicro

Hình 1.24 Máy ép chảy NU và một số sản phẩm ép với các đường kính:1.2

mm, 0.8 mm, 0.48mm

Hình 1.25 Máy ép chảy có hệ thống gia nhiệt

Hình 1.26 Khuôn micro thực hiện bằng phương pháp vi gia công

Hình 1.27 Khuôn được phay vi mô với các phần tử micro (phần tử nhỏ nhất:

0.05 mm; nhám bề mặt Ra < 0.15 !")

Hình 1.28 Lỗ và bánh răng 2 bậc được gia công bằng micro EDM

Hình 1.29 Mũi khoan có đường kính 0,25mm và ảnh lưỡi cắt phóng to

Hình 1.30 Công nghệ khắc laser 3D

Hình 1.31 Nguyên lí điều chỉnh góc khắc của chùm tia laser Góc nghiêng của

chùm tia laser thông thường là từ 15 - 200

Hình 2.1 Ảnh hưởng của kích thước hạt tới độ bền kéo

Hình 2.2 Đường con chảy của CuZn30 theo kích thước tương đối – đường kính

phôi

Hình 2.3 Đường cong chảy của CuZn30 theo kích thước tương đối – chiều dày

phôi

Hình 2.4 Ảnh hưởng của kích thước hạt

Hình 2.5 Mô hình tiếp xúc giữa phôi và khuôn trong dập micro

Hình 2.6 Đồ thị lực với các vận tốc

Hình 2.7 Sơ đồ ép chảy có sử dụng sóng siêu âm

Hình 2.8 Bề mặt tiếp xúc phôi-khuôn khi có tác động của sóng siêu âm

Hình 2.9 Khu vực tiếp xúc giữa phôi và khuôn

Hình 2.10 Bề mặt sản phẩm được tạo thành trong trường hợp không sử dụng

sóng siêu âm và có sử dụng sóng siêu âm

Hình 2.11 So sánh lực dập khi không có sự tác động của sóng siêu âm và có sự

tác dụng của sóng siêu âm trong nguyên công ép chảy

Hình 2.12 Sự gia tăng nhiệt độ trên bề mặt chi tiết do ảnh hưởng của sóng siêu

âm

Hình 3.1 Vùng biến dạng trong mô hình ép chảy

Hình 3.2 Ưu điểm của mô phỏng số

Hình 3.3 Giao diện phần mềm Deform-3D v10.0

Hình 3.4 Chi tiết tiếp điểm trong công nghiệp điện tử

Hình 3.5 Mô hình 3D chi tiết tiếp điểm điện tử

Hình 3.6 Thông số về thể tích chi tiết tiếp điểm điện tử

Hình 3.7 Mô hình phôi (a), chày (b), cối (c)

Hình 3.8 Đường cong chảy của vật liệu đồng [13]

Hình 3.9 Thiết lập đường cong chảy của vật liệu đồng trong phần mềm

Deform-3D

Hình 3.10 Chia lưới phần tử cho phôi

Hình 3.11 Nhập mô hình chày

Hình 3.12 Thiết lập hướng di chuyển của chày

Hình 3.13 Thiết lập tốc độ chày

Hình 3.14 Nhập mô hình cối

Hình 3.15 Thiết lập hệ số ma sát giữa phôi và khuôn

Hình 3.16 Quá trình biến dạng của chi tiết tiếp điểm điện tử khi ép chảy

Hình 3.17 Biểu đồ lực ép phụ thuộc hành trình chày trong quá trình ép chảy chi

tiết tiếp điểm điện tử

Hình 4.1 Sơ đồ dây chuyền sản xuất

Hình 4.2 Nguyên lí hoạt động của máy

Hình 4.8 Kết cấu bộ khuôn ép chảy tiếp điểm điện tử

Hình 4.9 Cơ cấu cặp bằng chêm dùng cho phôi băng và phôi tròn

Hình 4.10 Cơ cấu má kẹp

Hình 4.11 Một số dạng đĩa cấp phôi

Hình 4.12 Hệ thống cấp phôi rung thực tế

Hình 4.13 Hệ thống cấp phôi kiểu rung

Hình 4.14 Cơ cấu vòi hút chân không

Hình 4.15 Sơ đồ phễu cấp phôi rung động

Hình 4.16 Kết cấu định hướng phôi trên rãnh xoắn

Lời cam đoan

Tên tôi là Ngô Đăng Thái – học viên lớp Cao học Kĩ thuật cơ khí – khoá 2017A – Viện Cơ Khí – Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc

sỹ khoa học này do tôi tự làm, không sao chép nguyên bản của ai Các nguồn tài liệu sử dụng trong luận văn do tôi thu thập và dịch từ các tài liệu chuẩn nước ngoài, số liệu được sử dụng là số liệu thực tế, không bịa đặt

Nếu có bất cứ sai phạm nào tôi xin chịu trách nhiệm trước hội đồng tốt nghiệp và nhà trường

Học viên cao học

Thái Ngô Đăng Thái

MỤC LỤC

Trang

1.1 Sơ lược về các loại hình công nghệ dập micro 2

1.2.1 Thiết bị và khuôn trong nguyên công ép chảy 19 1.2.2 Các phương pháp gia công khuôn micro ( vi gia công ) 20

Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình dập micro 27

2.4.1 Sự gia tăng nhiệt độ do ảnh hưởng của sóng siêu âm

trong nguyên công ép chảy thuận

Chương 3: Nghiên cứu mô phỏng số quá trình biến dạng, tối

ưu công nghệ dập các chi tiết có kích thước siêu nhỏ

3.3 Ứng dụng phần mềm Deform-3D trong dập tạo hình 48 3.3.1 Mô phỏng quá trình ép chảy tiếp điểm điện tử bằng

phần mềm Deform-3D

49

Chương 4: Thiết kế khuôn dập và các thiết bị phụ trợ 67

LỜI MỞ ĐẦU

Việc sản xuất các chi tiết siêu nhỏ đang ngày càng trở nên quan trọng và cần thiết trong nhiều lĩnh vực, từ điện tử, máy tính đến các dụng cụ và thiết bị phẫu thuật Trước đây, các chi tiết này thường được chế tạo bằng phương pháp gia công cắt gọt tuy nhiên với yêu cầu về năng suất và độ chính xác cao, phương pháp phù hợp nhất được đưa ra là tạo hình bằng phương pháp gia công áp lực Tuy nhiên, phương pháp này hiện còn gặp nhiều khó khăn trong việc chế tạo thiết bị, quản lí kích thước, các phương pháp làm nhỏ hạt kim loại… Những hạn chế trên khiến việc áp dụng quy trình này trong sản xuất gặp rất nhiều khó khăn, việc thực hiện phụ thuộc vào sự hiểu biết và cách khắc phục của người thao tác Nghiên cứu này bao gồm ảnh hưởng của các yếu tố trong công nghệ tạo hình các chi tiết có kích thước siêu nhỏ, trình bày phương pháp hỗ trợ việc tạo hình các chi tiết đó bằng cách sử dụng dao động siêu âm trong nguyên công ép chảy Mặc dù công nghệ dập tạo hình có sử dụng sự hỗ trợ của sóng siêu âm đã được

áp dụng tại các nước phát triển và một số lợi ích đã được đưa ra như giảm lực dập, giảm ma sát giữa phôi và khuôn, tăng chất lượng bề mặt chi tiết nhưng cơ chế giải thích những lợi ích này chưa được hiểu một cách rõ ràng và cụ thể Mục tiêu chính của đề tài này là phát triển một mô hình phân tích để xác định rõ ảnh hưởng của dao động siêu âm trong quá trình ép chảy micro từ đó đưa ra những nhận định giúp người đọc có thể hiểu rõ hơn tác dụng của sóng siêu âm trong việc tạo hình kim loại

Để nghiên cứu các ảnh hưởng của sóng siêu âm trong quá trình ép chảy micro, phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để mô phỏng quá trình ép chảy Ngoài ra, việc phân tích tham số được tiến hành để tối ưu hoá công cụ cho các thí nghiệm sau này Sóng siêu âm làm tăng nhiệt độ phôi khiến việc biến dạng trở nên dễ dàng hơn, tải trọng hình thành giảm ngoài ra nó còn giúp cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết được tạo thành

Nhìn chung, dựa vào những tính toán cùng kết quả mô phỏng ta có thể nhận thấy các dao động siêu âm đem lại rất nhiều lợi ích trong quá trình ép chảy micro

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ DẬP MICRO

1.1 Sơ lược về các loại hình công nghệ dập micro

Định nghĩa: Chi tiết micro là những chi tiết có kích thước nhỏ từ một vài chục

µm đến một vài mm, trong công nghệ chế tạo được gọi là các chi tiết siêu nhỏ Chúng thường được chế tạo từ những kim loại, hợp kim màu và được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp điện tử, tự động điều khiển, kĩ thuật đo, máy tính và thiết bị di động Các chi tiết siêu nhỏ thuộc nhóm các chi tiết có hình dạng phức tạp, kích thước rất nhỏ nên chỉ có thể được chế tạo bằng công nghệ dập tạo hình như cắt, đột, uốn từ phôi tấm hay công nghệ ép chảy, dập nổi, dập khuôn kín với các đặc điểm tiết kiệm vật liệu, giảm số lượng nguyên công, năng suất và độ chính xác cao

Một số sản phẩm của công nghệ micro forming [7, 11]

Hình 1.1 Các chi tiết được lắp ráp trong các sản phẩm

lĩnh vực công nghệ điện tử

Hình 1.2 Một số sản phẩm chân tiếp điểm được chế tạo bằng

công nghệ micro forming

1.1.1 Dập vuốt

Dập vuốt là một trong những quá trình quan trọng nhất trong công nghệ dập tấm và nó có một ứng dụng tuyệt vời để tạo ra những sản phầm có biến dạng phức tạp, thậm chí với những sản phẩm có kích thước rất nhỏ

Các chi tiết được dập vuốt thường có hình dạng khác nhau và được chia thành các nhóm như sau:

- Nhóm các chi tiết có hình dạng tròn xoay (đối xứng trục) ví dụ như đáy nồi hơi, các chi tiết hình trụ, các bát đĩa kim loại…

- Nhóm các chi tiết có dạng hình hộp như thùng nhiên liệu của động cơ, các loại

Tuỳ theo chiều cao tương đối của chi tiết, người ta có thể dập một hay nhiều nguyên công để tạo ra chi tiết Ở nguyên công đầu phôi phẳng có đường kính D được dập vuốt để tạo ra phôi rỗng có đường kính d1 và chiều cao h1 Ở các nguyên công sau phôi rỗng được tiếp tục dập vuốt nhằm mục đích tăng chiều cao và giảm đường kính của phôi

Hình 1.3 Sơ đồ dập vuốt

a Nguyên công đầu; b Nguyên công tiếp theo [2]

Hình 1.4 Một số sản phẩm được tạo bởi công nghệ dập vuốt micro

1.1.2 Nguyên công uốn

Uốn là một nguyên công nhằm biến đổi các phôi có trục thẳng thành các chi tiết có trục cong Quá trình uốn thường được sử dụng trong các sản phẩm thuộc

hệ thống công nghệ micro (MST), trong các hệ thống cơ điện (MEMS), kẹp nối hoặc tiếp điểm…

Hình 1.5 Sản phẩm của quá trình uốn micro

Hình 1.6 Biên dạng, lực và moment

của quá trình uốn trong khuôn và uốn tự do [2]

Hình 1.7 Sơ đồ lực tác dụng khi uốn

Do sản phẩm sau khi uốn có xu thế đàn hồi lại nên việc dự đoán lực uốn, kết quả góc uốn trở nên rất khó khăn Khi bán kính uốn tương đối nhỏ thì sau khi có

sự tiếp xúc giữa phôi và mặt bên của chày nếu chày tiếp tục đi xuống sẽ xảy ra đồng thời quá trình giảm bán kính uốn tại vùng tâm phôi và quá trình nắn phần cánh của nó Sau khi bỏ ngoại lực, do biến dạng đàn hồi ở vùng tâm phôi tiếp xúc với bán kính cong của chày làm góc uốn giữa các cánh uốn tăng lên nhưng

do sự nắn thẳng của các cánh uốn làm góc uốn giảm đi Sự giảm góc uốn giữa các cánh là khi bỏ tải trọng tác dụng, các lớp bị kéo của cánh uốn bị co lại, còn các lớp bị nén giãn dài ra do đó góc uốn ban đầu sẽ bị giảm đi

Hình 1.8 Quan hệ giữa góc đàn hồi và bán kính uốn tương đối [10]

1.1.3 Nguyên công chồn

- Chồn là một trong những phương pháp quan trọng nhất trong công nghệ dập khối, nó có thể thuộc quá trình tạo hình chính và cũng có thể là nguyên công thuộc quá trình sơ bộ Mục đích của nguyên công chồn là làm tăng kích thước tiết diện phôi theo hướng vuông góc với lực tác dụng bằng cách làm giảm kích thước của nó theo phương của lực tác dụng [1]

Hình 1.9 Bulong, đai ốc được tạo bởi quá trình chồn

Hình 1.10 Một số linh kiện điện tử có kích thước siêu nhỏ

được tạo bởi quá trình chồn

a Dập thể tích trên khuôn hở (có vành biên)

Đặc điểm cơ bản của dập thể tích trên khuôn hở là ở chỗ sản phẩm của nó

có vành biên bao quanh chu vi của mặt phân khuôn Vành biên này có ý nghĩa công nghệ đặc biệt và khuôn không thể thiếu nó được Thiết bị chủ yếu để dập bằng khuôn hở là máy búa và các loại máy ép

Bản chất của quá trình dập trên khuôn hở có thể giải thích bằng một ví dụ đơn giản: dập một hình trụ có chiều cao HK và đường kính DK

Hình 1.11 Sơ đồ giải thích quá trình dập thể tích

Quá trình dập thể tích trên khuôn hở có những đặc điểm sau đây:

+ Khối lượng phôi có thể không chính xác nhưng kích thước của vật dập sẽ giống nhau vì khi khối lượng của phôi lớn hơn yêu cầu thì lượng kim loại thừa có thể chảy hết ra theo rãnh thoát biên

+ Chiều chảy của kim loại thoát ra khỏi lòng khuôn vào các rãnh thoát biên vuông góc với chiều của lực tác dụng Chiều dày vành khuôn giảm dần khi lực dập tăng

+ Thớ kim loại tại nơi cắt vành biên sẽ không liên tục

+ Khối lượng kim loại ở trong lòng khuôn giảm dần đi trong quá trình tăng lực

vì có một lượng kim loại chảy ra khỏi khuôn qua rãnh thoát biên

b Dập thể tích trên khuôn kín

Khuôn kín có thể dùng để dập thể tích trên máy búa, máy ép và máy rèn ngang Bản chất của quá trình dập thể tích trên khuôn kín có thể giải thích như sau:

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lí dập thể tích trong khuôn kín

Mặc dù dập thể tích trên khuôn kín không có vành biên nhưng vì thể tích phôi không bằng nhau, cho nên trong nhiều trường hợp vẫn có một lượng kim loại nhỏ chảy vào các khe hở ở các mặt phân khuôn hoặc khe hở giữa cần đẩy với khuôn tạo thành một lớp bavia nhỏ, thể tích của nó thay đổi tuỳ theo khối lượng phôi

Quá trình dập thể tích trên khuôn kín có những đặc điểm sau:

+ Thể tích phôi không được thay đổi nhiều vì không có rãnh thoát biên nên kích thước vật dập không đều nhau

+ Một phần nhỏ kim loại chảy vào các khe hở của khuôn tạo thành bavia cùng với hướng lực tác dụng, chiều dày lớp bavia này không đổi trong suốt quá trình dập

+ Thớ kim loại trong vật dập không bị đứt đoạn như khi dập trên khuôn hở, vì không phải cắt biên

+ Sản phẩm được tạo sau quá trình dập trên khuôn kín có độ chính xác cao Mỗi phương pháp dập đều có các ưu, nhược điểm riêng của chúng Sử dụng khuôn kín có những ưu điểm như chất lượng sản phẩm tốt, hệ số sử dụng vật liệu rất cao so với dập trên khuôn hở tuy nhiên phương pháp này chưa được áp dụng rộng rãi do những khó khăn trong việc tính toán kĩ thuật

Hình 1.13 Một số sản phẩm của phương pháp dập thể tích trên khuôn kín

1.1.5 Công nghệ dập nổi

a Giới thiệu về công nghệ dập nổi

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

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

mỹ thuật lên sản phẩm

Hình 1.14 Một số sản phẩm được tạo ra bởi công nghệ dập nổi

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

có kích thước rất nhỏ từ vài mm đến µm:

Hình 1.15 Một số linh kiện điện tử được sản xuất nhờ công nghệ dập nổi

Hình 1.16 Khuôn và thiết bị dập nổi

1.1.6 Công nghệ ép chảy

a Giới thiệu công nghệ ép chảy

Bản chất của công nghệ ép chảy như sau: Phôi được đặt vào trong cối chế tạo gần giống như khuôn kín, nhưng có các lỗ thoát kim loại; khi chày tiến vào

lỗ cối thì kim loại bị biến dạng theo định luật trở lực biến dạng nhỏ nhất, một phần kim được chảy ra ngoài lòng khuôn qua lỗ thoát, hầu như không có phế liệu nếu như kích thước phôi chính xác

Vật dập bằng phương pháp ép chảy gồm có 2 phần: Phần thân và phần chân Phần thân 1 nằm trong cối cho đến cuối cùng quá trình dập; phần chân 2 chảy ra ngoài khuôn qua lỗ thoát

đi thành phế liệu Ép chảy cục bộ tạo ra sản phẩm có hai phần: Phần còn lại trong

lỗ cối gọi là phần thân, thường có hình dáng phức tạp và phần được đẩy ra khỏi

lỗ cối gọi là phần chân có tiết diện ngang không đổi, cả 2 phần đều thuộc chi tiết Về nguyên tắc hai loại ép chảy này không có gì khác nhau

So sánh với phương pháp dập trên khuôn kín và khuôn hở thì phương pháp

ép chảy có nhiều ưu việt như:

- Độ chính xác và độ bóng bề mặt chi tiết cao

- Khối lượng phôi có thể không cần chính xác nhưng chỉ làm thay đổi chiều dài phần chân sản phẩm nên có thể cắt bỏ đi trong quá trình gia công cơ chứ không

sợ quá tải khuôn như dập trên khuôn kín và chiều cao phần vật dập vẫn đảm bảo đúng kích thước

Bên cạnh những ưu điểm đó thì ép chảy vẫn tồn tại những nhược điểm cơ bản như sau:

- Áp lực đơn vị cao nên lực tác dụng lên khuôn lớn

- Tuổi thọ khuôn thấp nhất là vị trí lỗ thoát kim loại

- Tiêu hao năng lượng cho quá trình biến dạng rất lớn

Các đặc điểm của phương pháp ép chảy là:

- Thể tích kim loại trong khuôn luôn luôn giảm trong quá trình ép

- Tuy không tính toán đến phế liệu nhưng trong quá trình cắt phôi nếu thể thích thừa thì phần chân sẽ dài hơn so với tính toán Có thể cắt bỏ phần thừa bằng khuôn cắt, máy cắt hoặc cắt bằng máy công cụ trong khi gia công cơ

- Sản phẩm ép chảy có chất lượng cao, không bị rạn nứt, không có lỗ hổng…do khi ép chảy tính chất khối ( 3 chiều ) của trạng thái ứng suất rất rõ ràng

Căn cứ vào đặc điểm công nghệ của ép chảy người ta phân ép chảy thành nhiều loại như:

- Ép chảy ngược

- Ép chảy xuôi

- Ép chảy nghiêng

- Ép chảy hỗn hợp

b Tính chất không đồng đều của độ biến dạng trong nguyên công ép chảy

Cho tới nay người ta vẫn chưa tìm ra cách tính độ biến dạng chung cho toàn thể vật biến dạng trong nguyên công ép chảy Sở dĩ như vậy là vì đối với nguyên công này độ biến dạng của vật thể trong mỗi phần đều khác nhau Đặc biệt là đối với phần chân của sản phẩm

Để chứng minh điều này người ta làm thí nghiệp ép chảy xuôi một phôi đã

bị bổ đôi trước, trên bề mặt tiếp xúc kẻ mạng lưới toạ độ bị thay đổi và đặc biệt

là khi quan sát các đường kẻ ngang phôi ta thấy chúng đều bị uống cong đi: độ cong của các đường kẻ ngang và khoảng cách giữa chúng với nhau đều khác

nhau (hình) Nếu dùng phương pháp kiểm tra độ cứng (do hoá bền) khi ép chảy nguội để xác minh lại ta cũng thấy như vậy Cần chú ý khi thí nghiệm là muốn kiểm tra độ biến dạng ở giai đoạn nào thì ta kẻ lưới toạ độ ở giai đoạn ấy

Riêng đối với phần chân, ta có thể căn cứ vào góc ! hợp bởi tiếp tuyến tại mặt ngoài của đường kẻ ngang sau khi biến dạng bị cong đi so với vị trí ban đầu của nó

Để thấy được một cách cụ thể hơn ta đánh giá sự biến dạng không đồng đều của phần chân sản phẩm ép chảy theo sự vuong góc của các đường ngang trong mạng lưới toạ độ

Hình 1.18 Sự biến dạng không đồng đều trong nguyên công ép chảy

Căn cứ vào sự bố trí các đường cong nói trên ta thấy:

tc + a n+1 = tk + an

hoặc an+1 –an = tk – tc

Lượng tăng tuyệt đối của độ cong các đường ngang trong mạng lưới toạ độ được tính như sau: ∆# = tk – tc

Với:

an: khoảng cách từ đỉnh đến chân của đường ngang sau khi biến dạng bị uốn cong đi tại đường kẻ ngang thứ n

tk: khoảng cách của 2 đường ngang liền nhau sau khi biến dạng

tc: khoảng cách 2 đỉnh đường ngang liền nhau

Đại lượng ∆# còn gọi là độ biến dạng không đồng đều tuyệt đối Muốn tính độ biến dạng không đồng đều tuyệt đối ta chia ∆# cho khoảng cách ban đầu (trước khi biến dạng) của hai đường ngang liền nhau trong mạng lưới toạ độ i0 hay %&

'(

Trên hình còn biểu diễn tương quan giữa lượng biến dạng không đều đều trung bình (đường 1) và lượng biến dạng không đồng đều cục bộ (đường 2) Đường thẳng 1 được tính theo công thức:) = *+,

*Với F = -D2 M/4

f = -d2 M/4

Đường cong 2 được xây dựng theo quan hệ: )M = .+./

.Với i là khoảng cách giữa các đường ngang trong mạng lưới toạ độ

Tại vùng A lượng biến dạng không đồng đều cục bộ nhỏ hơn lượng biến dạng không đồng đều trung bình và vùng B ngược lại

6.5 Công nghệ ép chảy micro

a b Hình 1.19 a.Kết cấu của bộ khuôn ép chảy micro; b Chi tiết tiếp điểm điện tử

Trên đây là hình minh hoạ kết cấu bộ khuôn ép chảy với kết cấu đặc biệt dùng trong công nghệ micro forming Bộ khuôn bao gồm phần phần trên có thể

di chuyển theo hướng thẳng đứng, nơi mà chày được hỗ trợ bởi tấm đỡ trên và

có thể được điều chỉnh bởi các bulong bắt

Biến dạng của sản phẩm được tạo ra bởi quá trình ép chảy bao gồm một ống

ở bên trong, được tăng cường bằng việc gia cố vòng Ở hướng thẳng đứng, khuôn được hỗ trợ bởi tấm đỡ dưới, trong đó phần đỡ sản phẩm cũng được thiết lập một cách tuyến tính Phần đỡ này có tác dụng chống lại hướng di chuyển của chày và cho phép tách rời sản phẩm sau khi kết thúc quá trình ép chảy Trong

công nghệ ép chảy các chi tiết micro khuôn dưới có những lỗ nhỏ trong một ống tương đối lớn mà không có giới hạn về kích thước bên ngoài Các chày hoặc trục

gá thường có cấu trúc rất mảnh, nơi mà độ bền uốn là một trong các tiêu chuẩn thiết kế cơ bản Do đây là điều kiện tất yếu trong phạm vi micro, những yêu cầu

về việc chống lại sự ăn mòn về độ độ bền cũng như độ nén trong các chi tiết chuyển động tăng đáng kể Các yêu cầu chung trong công nghệ ép chảy như sau:

- Mặt phân cách giữa các phần phải được thiết kế dạng hình nón

- Thiết kế trục đối xứng của các bộ phận để cân bằng không đồng trục

Về thiết thế trong lĩnh vực micro có rất nhiều nguyên tắc ví dụ như:

- Sử dụng số lượng chi tiết nhỏ nhất để giảm thiểu dung sai trong cả quá trình lắp ráp

- Cơ cấu định vị sẽ tự điều chỉnh vị trí của chày và pin theo hướng ngang

- Chày có thể điều chỉnh tăng cường từng chiếc một

Các thiết kế đối xứng trục và tự điều chỉnh của ống đùn và sự kết hợp đồng trục với chày rất quan trọng nhằm đáp ứng yêu cầu của quá trình ăn khớp khuôn đặc biệt đối với nguyên công ép chảy các chi tiết siêu nhỏ Các bề mặt được thiết kế dạng côn để loại bỏ khe hở lắp ráp, điều đó rất cần thiết cho khuôn Ngoài ra còn

có các phương pháp tiếp cận để tối ưu hoá độ chính xác và quá trình phun của sản phẩm, điều mà rất phức tạp do khe hở nhỏ trong phạm vi micro bằng cách

sử dụng một áp lực nén và dụng cụ đột dập có thể giãn

Ngoài các yêu cầu cơ bản về độ chính xác cao và độ bền của các dụng cụ, trong công nghệ micro có các phương pháp tiếp cận cho các hệ thống công cụ linh hoạt để có thể bao trùm toàn bộ biên dạng phôi Mục đích của các hệ thống

đó là cung cấp công cụ với cấu trúc như những modun cho các phương pháp ép chảy khác nhau hoặc kết hợp chúng với nhau Về cơ bản có 3 loại thành phần công cụ: các thành phần cơ bản, quá trình và các chi tiết cụ thể Để giảm thời gian thay công cụ, có thể sử dụng hệ thống công cụ thay đổi nhanh chóng, chẳng hạn như sử dụng thiết bị kẹp để gắn các bộ phận chày

Một yếu tố quan trọng khác của các công cụ là loại vật liệu được sử dụng Vật liệu thích hợp cho ép chảy phải đáp ứng yêu cầu của quy trình sản xuất nói riêng và phải đáp dụng được cho các quy trình sau gia công sau đó Dưới đây là một số yêu cầu chính của hai nhóm vật liệu với trọng tâm là sản xuất dụng cụ và quá trình dập tạo hình:

- Yêu cầu về vật liệu dụng cụ:

+ Liên quan tới việc sản xuất dụng cụ:

Đẳng hướng của cấu trúc vi mô

Độ méo tối thiểu trong quá trình nhiệt luyện và ủ

Khả năng chịu nhiệt

+ Ứng dụng trong quá trình dập tạo hình

Giữ hình dạng

Khả năng chịu mài mòn cao

Khả năng chống lại quá trình oxy hoá và ăn mòn

Khả năng chống lại sự nứt nóng và sốc nhiệt

Có độ bền và khả năng chịu nhiệt cao

Vật liệu được sử dụng thường là thép cacbon được nhiệt luyện có độ cứng cao (50 - 67 HRC) và độ bền uốn từ 2400 – 2800 MPa và áp suất phá huỷ từ 3000 –

4000 MPa Bột thép luyện kim được sử dụng để đạt được độ đồng nhất vật liệu cao và cấu trúc hạt cacbua tốt ( kích thước hạt từ 2 – 6 01 ) trong khi các dụng

cụ thép thông thường có kích thước hạt từ 30 – 50 01 Đặc biệt, cường độ uốn cao là rất cần thiết để chày trong công nghệ ép chảy micro đạt được độ bền cần thiết do kích thước nhỏ và yêu cầu tỉ lệ độ dày

e So sánh sự khác biệt giữa công nghệ ép chảy chi tiết macro và micro

- Macro

+ Trong trường hợp ép chảy nóng phôi được gia nhiệt ở bên ngoài trước khi đưa vào trong khuôn ép

+ Không cần tính phôi quá chính xác, sản phẩm sau khi ép có thể đem gia công

cơ để đạt kích thước yêu cầu

+ Có thể tạo ra các chi tiết dạng thanh dài vô hạn bằng việc liên tục cấp phôi vào trong khuôn ép

- Micro

+ Không thể gia nhiệt phôi ở bên ngoài khuôn Phôi được gia nhiệt trong khuôn bằng cách sử dụng chày bằng những vật liệu trong suốt như thuỷ tinh, saphia… rồi nung phôi bằng tia laser

+ Bắt buộc phải tính phôi một cách chính xác, sản phẩm sau khi ép có độ chính xác cao, có thể đưa vào sử dụng mà không cần gia công cơ

+ Không thể ép chảy các chi tiết dạng thanh dài vô hạn

1.2 Sơ lược về thiết bị và khuôn dập micro

Thiết bị Microforming cũng tương tự như Macroforming, chúng chỉ khác về tương quan kích thước Thông thường máy dập Micro dùng lực tác động bằng tay hoặc hệ thống khí nén vì biến dạng trong micro nhỏ nhưng xét về tương quan kích thước thì lực biến dạng trong micro lớn hơn rất nhiều biến dạng macro

- Kích thước thiế bị micro nhỏ hơn rất nhiều so với thiết bị trong dập macro, có những máy ép chỉ nhỏ bằng lòng bàn tay hoặc nhỏ hơn

Hình 1.20 a Máy ép micro; b Máy và khuôn cắt uốn liên tục

Hình 1.21 Một số kết cấu khuôn dập các chi tiết siêu nhỏ

Hình 1.22 Máy ép micro sử dụng tay gạt

Những máy này có kết cấu và hoạt động tương đối đơn giản, khi gạt tay xuống (lên) lực tác động từ tay truyền qua hệ thống khớp khâu làm đầu trượt đi lên hay đi xuống và thực hiện quá trình ép

Hình 1.23 Máy dập siêu nhỏ của công ty Masmicro

Đặc tính kĩ thuật của máy như sau:

- Công suất động cơ: 28kW

- Lực ép danh nghĩa: 9kN

- Tần số làm việc tối đa: 500 nhát/ phút

- Động cơ tuyến tính được làm mát bằng dầu do quá trình làm việc với tần số cao động cơ bị nóng

- Máy được điều khiển theo chương trình

- Máy có gắn cảm biến bảo vệ khi có sự cố ngắn mạch hay quá tải

1.2.1 Thiết bị và khuôn nguyên công ép chảy

Hình 1.24 Máy ép chảy NU và một số sản phẩm ép với các đường kính:

1.2 mm, 0.8 mm, 0.48mm Thông số kĩ thuật của máy:

- Lực ép danh nghĩa: 10 kN

- Tốc độ lớn nhất của đầu trượt: 0,18mm/s

- Kích thước tổng thể theo chiều dài: 50mm

Hình 1.25 Máy ép chảy có hệ thống gia nhiệt

Thông số kĩ thuật của máy

- Lực ép danh nghĩa: 50 kN

- Tốc độ lớn nhất của đầu trượt: 2000mm/s

1.2.2 Các phương pháp gia công khuôn micro (vi gia công)

Công nghệ sản xuất vi gia công được định nghĩa như những quy trình dùng

để chế tạo những chi tiết, hệ thống mà kích thước gia công ở cấp độ micrometer

Công nghệ vi gia công cũng được mở rộng định nghĩa như là những quá trình sản xuất mà ở đó dụng cụ gia công nhỏ hơn 1mm Vi gia công thuộc nhớm công nghệ không truyền thống Chúng có thể gia công những chi tiết có độ chính xác cao, những cấu trúc vật thể 3D có kích thước ở cấp độ vi mô Với những kích thước này, các công nghệ gia công truyền thống không thể thực hiện được

Hình 1.26 Khuôn micro thực hiện bằng phương pháp vi gia công

Công nghệ vi gia công được ứng dụng hầu hết trong các lĩnh vực công nghiệp như cơ khí chính xác, công nghiệp ô tô, công nghiệp đồng hồ, trong y học, thiết bị cảm biến, điện tử… Công nghệ vi gia công đem lại năng suất cao

và chi phí thấp Ngày nay, công nghệ này đang được nghiên cứu và phát triển mạnh và ứng dụng rộng rãi trong: thiết bị tim mạch, cấy ghép y khoan, thiết bị điện tử cầm tay, vi khuôn, lò phản ứng chất vi hoá…

Một số công nghệ trong vi gia công:

Micro EDM:

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

đó cho phép sử dụng khả năng ăn mòn bằng sự phóng điện, tạo lập giữa điện cực dụng cụ và điện cực chi tiết để bóc đi liệu chi tiết gia công Micro EDM có thể sản xuất được các đối tượng có hình dáng hình học 2D hoặc 3D, đặc biệt nó có thể gia công được lỗ có đường kính 15 – 300 01 với dung sau ±101 và các

dạng bề mặt nhỏ phức tạp nhờ hệ thống CAD/CAM Tốc độ cắt (bóc vật liệu) đạt khoảng 25 triệu 013/s

Hình 1.27 Khuôn được phay vi mô với các phần tử micro

(phần tử nhỏ nhất: 0.05 mm; nhám bề mặt Ra < 0.15 01)

Công nghệ MEMS

Hệ thống vi – cơ – điện cho phép sử dụng công nghệ chế tạo vi gia công bằng cách tích hợp các phần tử cơ khí, những bộ cảm biến, bộ khuyếch đại và điện tử trên lớp nền silicon Thiết bị của MEMS rất nhỏ hơn nữa MEMS đã từng chế tạo những sợi dây điện của động cơ nhỏ hơn đường kính sợi tóc Những cổng điện tử được chế tạo bằng cách sử dụng những quá trình mạch tích hợp (IC) liên tiếp như CMOS, Bipolar hoặc quá trình BICMOS Những chi tiết vi mạch được chế tạo bằng cách sử dụng những quy trình vi gia công mà ở đó việc bóc tách ra những phần của tấm mỏng silicon hoặc thêm vào những lớp nền để hình thành nên những thiết bị cơ khí và thiết bị cơ – điện

`

Hình 1.28 Lỗ và bánh răng 2 bậc được gia công bằng micro EDM

Công nghệ MEMS đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghệ sinh học, công nghệ thông tin, thiết bị gia tốc kế MEMS cũng được

sử dụng cho một loạt thiết bị từ những vật dụng trong gia đình cho đến các chi tiết trang trí trong ô tô

Công nghệ phay micro

Công nghệ phay micro là một dạng công nghệ thu nhỏ của công nghệ phay thông thường mà ở đó sử dụng dụng cụ cắt gọt nhỏ hơn, cứng hơn, hoạt động ở tốc độ cao được dùng trên máy nhiều trục Phay micro có thể gia công với tốc

độ quay của trục chính rất cao chẳng hạn như máy phay vi mô Kern có thể sử dụng những lưỡi cắt đường kính nhỏ 100 01 với tốc độ 100000 vòng/phút Độ chính xác gia công có thể đạt được dung sau 2 – 401 Khi tỉ lệ giữa bề mặt và thể tích lớn hơn kích thước vi mô, nhiệt phân tán rất nhanh trên bề mặt vật lệu, dụng cụ và ngay cả trên phoi

Hình 1.29 Mũi khoan có đường kính 0,25mm và ảnh lưỡi cắt phóng to

Phay vi mô vẫn được phát triển như là một quy trình chế tạo vi mô Nó có tiềm năng đối với việc chế tạo những chi tiết theo lô với đặc trưng kích thước vi

mô, chi phí thấp với việc quay vòng vốn nhanh so với những quy trình vi gia công khác

Vi khoan

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

Những mũi khoan vi mô nhỏ nhất (nhỏ hơn 5001) là một loại dao lạng mà ở đó không có đường kính rãnh xoắn ốc, khiến cho phôi thoát ra ngoài rất khó khăn Mũi khoan với đường kính 5001 hoặc nhỏ hơn có thể chế tạo như một mũi khoan xắn có nhiều đặc tính hình học quan trọng của mũi khoan vi mô dạng dao lạng Phần cuối cùng của lưỡi cắt mũi khoan được gọi là lưỡi đục thay thế cho một điểm mũi Lưỡi đục lấy vật liệu chủ yếu bằng quá trình cắt và đẩy ra ứng với góc nghiêng âm cao Năng lượng cắt đặc biệt dọc theo lưỡi đục rất lớn so với lưỡi cắt chính của mũi khoan Do thiếu điểm mũi, mũi khoan có thể trượt trên bề mặt ở vị trí bắt đầu quá trình khoan, kết quá là mũi khoan gãy và tạo thành 1 góc nghiêng so với bề mặt chi tiết gia công Nhược điểm thứ 2 của lưỡi đục là quá dài so với đường kính mũi khoan, kết quả là lực đẩy dọc theo trục mũi khoan lớn

Mũi khoan vi mô hầu hết được chế tạo bằng thép cobalt hoặc car-bide tungsten Mũi khoan thép thì chi phí ít hơn và dễ dàng mài lại nhưng không cứng

và bền như mũi khoan ở dạng carbide tunsten Góc ở mũi khoan (đỉnh) phụ thuộc vào vật liệu chế tạo ra nó, thông thường góc ở đỉnh là 118 độ, với những vật liệu cứng thì góc ở đỉnh là 135 độ Mũi khoan vi mô nên được dùng trong chu trình khoét mà ở đó mũi khoan được chuyển động ra vào nhiều lần trong lỗ được khoan Điều này giúp việc làm sạch phoi ở bên trong lỗ dễ dàng hơn

Hầu hết khi khoan kim loại, tốc độ trục chính nằm trong khoảng 2000 – 4000 vòng/phút trong khi lượng chạy dao là 1 01 cho mỗi vòng quay Các máy khoan micro CNC hiện nay có số vòng quay trục chính rất cao, ví dụ như máy của hãng Datrong là 65000 vòng/phút khoan các lỗ nhỏ đến 0.1 mm

Khắc laser (laser engageving)

Tia laser Nd: YAG với bước sóng 1064 nm hấp thụ năng lượng khi bộ Swith đóng, khi Q-Swich mở thì xung được phát ra và năng lượng được giải

Q-phóng từ 30 đến 150kW trong thời gian rất ngắn từ 10 đến 100 nano và nguồn năng lượng này đủ lớn để làm tan chảy và bốc hơi vật liệu

Hình 1.30 Công nghệ khắc laser 3D

Để gia công các bề mặt nghiêng thì mấy khắc laser được trang bị 2 gương quang học, chùm laser được phát từ nguồn phát được di chuyển qua hệ thống quang học, 2 gương được xoay quanh các trục toạ độ x và y tuỳ thuộc vào kích thước của chi tiết cần khắc mà ta sẽ có các góc vát trên sản phẩm, đầu khắc có chuyển động lên xuống để điều chỉnh độ sâu cần khắc

Hình 1.31 Nguyên lí điều chỉnh góc khắc của chùm tia laser

Góc nghiêng của chùm tia laser thông thường là từ 15 - 200

Một số phương pháp khác

Ngoài các phương pháp nêu trên, người ta còn có thể sử dụng các phương pháp khác như: Cắt – khắc bằng tay; chế tạo bản polyme (âm bản) sau đó đem

mạ, khắc acid; làm khuôn thông qua việc thiết kế sản phẩm bằng thạch cao có kích thước gấp 3 lần kích thước sản phẩm yêu cầu sau đó đem làm khuôn cao su rồi đổ keo Epoxy vào khuôn để tạo sản phẩm, sản phẩm bằng keo Epoxy sẽ được đưa vào máy khắc chép hình để khắc lên bề mặt phôi thép để đạt kích thước thực của sản phẩm (âm bản), sau đó đem đi gia nhiệt và tiếp tục ép lên các phôi thép khác để tạo dương bản (khuôn dập) trên máy ép thuỷ lực

1.3 Kết luận

Chương 1 của luận văn đã trình bày sơ lược về các sản phẩm và công nghệ dập tạo hình các chi tiết micro bao gồm dập vuốt, uốn, chồn, dập thể tích, dập nổi và đặc biệt tập trung vào công nghệ ép chảy Công nghệ dập tạo hình micro hiện nay chưa được áp dụng rộng rãi ở nước ta do còn tồn đọng nhiều khó khăn trong quá trình chế tạo, lắp ráp khuôn và thiết bị, yêu cầu về độ chính xác rất cao… Ngoài ra, trong chương 1 tổng qua về thiết bị và khuôn dập micro cũng được nêu ra bao gồm: thiết bị và khuôn trong nguyên công cắt, thiét bị và khuôn trong nguyên công ép chảy, thiết bị và khuôn trong nguyên công dập nổi và các phương pháp gia công khuôn dập chi tiết micro Do những khó khăn kể trên, ta cần nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ, đặc biệt là xác định rõ ràng các thông

số công nghệ, điều kiện thực hiện công nghệ, thiết bị và khuôn để công nghệ này sớm được áp dụng rộng rãi vào thực tiễn sản xuất

CHƯƠNG 2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH DẬP MICRO

2.1 Kích thước hạt

Phần lớn các kim loại được luyện bằng phương pháp nấu chảy lỏng sau đó đúc thành hình sản phẩm hay bán thành phẩm Chất lượng của vật đúc phụ thuộc phần lớn vào quá trình chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn, sau đó là quá trình kết tinh

Sự kết tinh bao gồm quá trình tạo mầm và sau đó các mầm phát triển lên Khi các mầm sinh ra đầu tiên phát triển lên, trong kim loại lỏng vẫn tiếp tục sinh ra các mầm mới Quá trình cứ như vậy cho tới khi kim loại lỏng kết tinh hết Các hạt tạo thành có kích thước không đồng đều, những hạt mầm sinh ra trước sẽ có kích thước lớn hơn do có điều kiện phát triển Những hạt do mầm sinh ra sau cùng càng ít có điều kiện phát triển nên nhỏ hơn

Kích thước hại kim loại là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng kim loại ( chủ yếu là cơ tính ) Trong kĩ thuật đúc khuôn có xu hướng làm nhỏ hạt kim loại vì hạt nhỏ có cơ tính tốt hơn và ít giòn hơn

Các phương pháp làm nhỏ hạt trong thực tế:

- Tăng độ quá trình nguội khi kết tinh: độ quá nguội phụ thuộc vào tốc độ nguội, tốc độ nguội càng lớn thì độ quá nguội càng tăng vì vậy ta phải làm nguội thật nhanh Để tăng tốc độ nguội người ta thường dùng khuôn kim loại có tính dẫn nhiệt cao thay cho khuôn cát Có thể dùng nước lạnh làm nguội ngoài thành khuôn kim loại

- Tăng số lượng tâm mầm không tự sinh: người ta cố ý cho vào kim loại lỏng các chất đặc biệt để giúp cho sự tạo mầm không tự sinh: ví dụ trước khi rót thép người ta cho một lượng nhỏ nhôm vào thùng thép lỏng Nhôm sẽ kết hợp với oxi, nito hoà tan trong thép tạo ra các phần tử Al2O3 và AlN nhỏ mịn hơn

- Hạn chế tốc độ phát triển mầm: người ta cho vào kim loại lỏng một chất đặc biệt, nó hoà tan và hấp thụ bề mặt mầm, hạn chế sự phát triển dài của mầm Ví dụ: khu đúc hợp kim nhôm – silic người ta cho vào một hỗn hợp muối natri, chúng hoà tan vào và hạn chế sự phát triển của tinh thể silic do vậy hạt sẽ được làm nhỏ

Ảnh hưởng của kích thước hạt

- Ảnh hưởng của kích thước hạt lên độ bền kéo

Định luật Hall – Petch

Theo Hall – Petch: 7y = 7o + √:8

Trong đó: K: hệ số

d: kích thước hạt

Hình 2.1 Ảnh hưởng của kích thước hạt tới độ bền kéo [10, 11, 12]

Hall – Petch đã tiến hành thí nghiệp kéo với mẫu Latong CuZn30, hạt được làm nhỏ đến 0,02 mm Nhìn vào biểu đồ ta thấy kích thước hạt càng nhỏ thì độ bền kéo 7k càng tăng Điều đó có nghĩa hạt kim loại càng nhỏ thì kim loại càng khó biến dạng

Tuy nhiên, trong bài toán dập siêu nhỏ, kích thước hạt phải so với đường kính hay chiều dày phôi thì bài toán mới có ý nghĩa hay ta phải xét sự tương quan giữa hạt với đường kính và chiều dày phôi

Hình 2.2 Đường cong chảy của CuZn30 theo

kích thước tương đối – đường kính phôi [11]

Hình 2.3 Đường cong chảy của CuZn30 theo

kích thước tương đối – chiều dày phôi [11]

Hình 2.4 Ảnh hưởng của kích thước hạt [10]

Như chúng ta đã biết rằng trong vật liệu kim loại quá trình đúc hay giai đoạn tạo hình, lớp bề mặt vật liệu thường có kích thước hạt nhỏ hơn cùng với hiệu tượng hoá bền, cứng bề mặt do sai lệch mạng tinh thể làm cho ứng suất chảy tăng và vật liệu khó biến dạng hơn Nhìn vào sơ đồ phân bố trên ta thấy rằng với những chi tiết có kích thước micro số lượng hạt phân bố trên chiều dày phôi rất

ít nên ứng suất chảy của kim loại tăng khi kích thước giảm xuống, điều này gây khó khăn cho quá trình biến dạng vật liệu

Ta có: Fms = 0.P = 0.7n.Stx

Trong đó: 0: hệ số ma sát 0.28 0.38

7n: áp suất tiếp xúc

Stx: diện tích tiếp xúc thực

Ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ gia công ảnh hưởng đáng

kể đến quá trình tạo hình vật liệu, đặc biệt là lực ép và chất lượng bề mặt của sản phẩm Xác định chính xác hệ số ma sát thường rất phức tạp bởi phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ nhám bề mặt tiếp xúc, cặp vật liệu tiếp xúc, áp suất tiếp xúc, điều kiện bôi trơn, nhiệt độ…

Hình 2.5 Mô hình tiếp xúc giữa phôi và khuôn trong dập micro

Khác với dập chi tiết có kích thước lớn (kích thước macro hay vào mili mét trở lên), trong công nghệ dập micro, bề mặt tiếp xúc thực tế còn nhỏ hơn nhiều, bởi khuôn và phôi chỉ tiếp xúc trên các đỉnh nhấp nhô, bôi trơn không thể đồng đều Áp lực trên bề mặt tiếp xúc theo đó tăng cục bộ đáng kế Chính vì vậy, hệ

số ma sát µ trong dập micro thường là 0,4 (lớn hơn so với dập macro điều kiện bôi trơn bình thường µ=0,2)

Trong trường hợp thứ hai, có bôi trơn thì diện tích tiếp xúc bề mặt tăng lên dẫn tới áp lực pháp tuyến giảm đáng kể Do đó lực ma sát tạo giữa bề mặt dụng

cụ và phôi cũng giảm theo

2.3 Ảnh hưởng của tốc độ

Theo tài liệu: Institute FEMTO-ST, Applied Mechanics Laboratory 24 Chemin de I’Epitaphe, 25000 Besanon, France đã kiểm tra lực tác động lên xylanh nén với vật liệu CuZn10 ở nhiêt độ thường không có bôi trơn

Hình 2.6 Đồ thị lực với các vận tốc [11, 12, 13]

Khảo sát từ tốc độ 0,03mm/s tới 5mm/s đã cho thấy đường đồ thị lực gần như trùng khít lên nhau chứng tỏ tốc độ dập không làm ảnh hưởng tới lực dập, cũng có nghĩa là vận tốc tạo hình càng cao thì càng tốt để đạt năng suất Tuy nhiên trong điều kiện sản xuất thực tế, khi tốc độ làm việc dụng cụ quá cao sẽ kèm theo rất nhiều vấn đề phát sinh như chế độ nhiệt của dụng cụ, quá trình cấp phôi…mà khi thiết kế cần hết sức chú ý

Tóm lại, có một điều chắc chắn về tính phức tạp của công nghệ tạp hình các chi tiết có kích thước micromet, các vấn đề về vật liệu và các yếu tố ảnh hưởng như kích thước hạt và ma sát đã được đưa ra và nghiên cứu để phục vụ cho việc tính toán công nghệ tiếp theo đối với các chi tiết tiếp điểm

2.4 Ảnh hưởng của sóng siêu âm

Sóng siêu âm rung động cơ trong chất rắn hoặc chất lỏng, ở một tần số cao hơn những nghe đối với con người – siêu âm tần số thấp nhất là 20 kHz Dao động gia công kim loại được cho là xảy ra nếu chu kì chuyển động hoặc ứng suất được cộng hưởng trong khuôn hoặc phôi trong quá trình hình thành Ứng dụng năng lượng cao có xu hướng sử dụng tần số vào cuối thấp của quang phổ ( tức

có thể được dự đoán (Lucas, 1996) Phạm vi của kim loại tạo thành các quy trình bao gồm ống, dây và bản vẽ tách, ép chảy…

Khi chày dao động, một khoảng trống được tạo ra giữa khuôn và phôi khiến chất bôi trơn bám vào tạo nên điều kiện bôi trơn thuỷ động hoặc bôi trơn thuỷ tĩnh Mỗi điều kiện trên đều dẫn tới sự suy giảm của lực ma sát Sau mỗi chu kì dao động, khe hở này được đóng lại, những điểm nhập nhô ở bề mặt tiếp xúc trở nên đàn hồi và kim loại biến dạng

Sự gia tăng nhiệt tại bề mặt khuôn và phôi do ma sát và sự biến dạng của những điểm nhấp nhô bề mặt sẽ ảnh hưởng tới hoạt động của chất bôi trơn và tính chất của vật liệu

2.4.1 Sự gia tăng nhiệt độ do ảnh hưởng của sóng siêu âm trong nguyên công ép chảy thuận

Khảo sát quá trình ép chảy thuận nghịch có thể thấy phôi được đặt trong cối (buổng ép), dưới tác dụng của lực ép do chày tạo ra, phôi bị nén trong lòng cối,

bị biến dạng và chảy qua khe hở giữa chày và cối theo hướng vừa thuận vừa ngược với hướng chuyển động của chày

Hình 2.7 Sơ đồ ép chảy có sử dụng sóng siêu âm Trong quá trình biến dạng, phôi luôn tiếp xúc với bề mặt của chày và cối Lực ma sát được sinh ra trên bề mặt tiếp xúc Tuy nhiên, nếu có tác dụng của sóng siêu âm đặt vào khuôn, trạng thái bề mặt tiếp xúc sẽ bị thay đổi Sự cọ xát liên tục, tuần hoàn do siêu âm có tần số rất lớn (khoảng 20 kHz) sẽ làm bề mặt tiếp xúc phát sinh nhiệt Nhiệt sẽ tăng lên theo thời gian cùng với quá trình ép, được truyền vào phôi làm phôi tăng nhiệt độ, qua đó ứng suất chảy của vật liệu, lực ép giảm đi, như vậy, phôi sẽ dễ biến dạng dẻo hơn

Khảo sát sâu hơn tại bề mặt tiếp xúc giữa phôi và khuôn khi có sóng siêu

âm (hình 3) và tách tác dụng của sóng siêu âm theo 2 phương, phương dọc và phương ngang có thể nhận thấy: sóng dọc gây nên dao động theo phương chuyển động trên bề mặt tiếp xúc làm tăng sự cọ xát, do đó sẽ tăng nhiệt độ tại bề mặt tiếp xúc; sóng ngang dao động liên tục vừa ép phôi vào bề mặt khuôn, nhưng vừa tách hai bề mặt phôi, khuôn tạo ra khe hở nhỏ (phụ thuộc vào biên độ sóng) Khe hở nhỏ này sẽ làm giảm ma sát tiếp xúc và làm phôi dễ dàng biến dạng

Hình 2.8 Bề mặt tiếp xúc phôi-khuôn khi có tác động của sóng siêu âm [3] Nhiệt trên bề mặt tiếp xúc giữa phôi, khuôn sinh ra do ma sát nên có thể xác định được giá trị nhiệt độ như sau:

Hình 2.9 Khu vực tiếp xúc giữa phôi và khuôn [14]

Thông số sóng siêu âm: Nguồn kích động siêu âm được gắn trực tiếp vào chày

để tạo ra sóng dọc theo phương chuyển động của chày với các thông số tần số

n f D

Khu vực III Ma sát

N k

T = = æçdT +dT ö÷

å