NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ LỰC KẾ TRONG GIA CÔNG TẠO HÌNH GIA TĂNG ĐƠN ĐIỂM (SPIF) (SINGLE POINT INCREMENT FORMING)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA









ĐINH VĂN ĐỨC

ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ LỰC KẾ TRONG GIA CÔNG
TẠO HÌNH GIA TĂNG ĐƠN ĐIỂM (SPIF)
(SINGLE POINT INCREMENT FORMING)


@&?

Chuyên ngành: Chế tạo máy
Mã số ngành:
605204

LUẬN VĂN THẠC SĨ




TP. HCM, tháng
12 năm 2013
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa-ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS Đặng Văn Nghìn





Cán bộ chấm nhận xét 1:





Cán bộ chấm nhận xét 2:





Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày…….tháng…….năm 2012
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1.

2.
3.
4.
5.
Xác nhận của Chủ Tịch Hội đồng dánh giá LV và trưởng khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được chỉnh sửa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
oOo
Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . .


NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Đinh Văn Đức Giới tính : Nam
Ngày, tháng, năm sinh : 01/04/1987 Nơi sinh : Xuân Bắc, Xuân Lộc, Đồng Nai
Chuyên ngành : Chế tạo máy
Khoá (Năm trúng tuyển) : 2011

1- TÊN ĐỀ TÀI:
Tính Toán Thiết Kế Lực Kế Vòng Tám Cạnh Trong Tạo Hình Gia Tăng Đơn Điểm
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
- Tổng Quan về phương pháp tạp hình gia tăng đơn điểm (SPIF).
- Một số nhân tố liên quan tới độ chính xác và khả năng tạo hình của SPIF.
- Đường lối tính toán thiết kế lực kế vòng tám cạnh và chế tạo.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2012
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/11/2012
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS. TS Đặng Văn Nghìn

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
(Họ tên và chữ ký)



PGS. TS Đặng Văn Nghìn




LỜI CẢM ƠN

Những kiến thức chuyên môn quý báu, tri thức làm người và kinh nghiệm
thực tế để làm hành trang quý giá cho sự nghiệp sau này mà em tích lũy được trong
quá trình học tập và hoàn thành luận văn này chính là nhờ sự giúp đỡ của các thầy
cô Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh. Với tấm lòng biết ơn và trân trọng, em
xin gởi lời cảm ơn đến quý thầy cô.
Đặc biệt em xin cảm ơn thầy Đặng Văn Nghìn, người đã định hướng, tận
tình chỉ dẫn, cung cấp tài liệu và luôn động viên chúng em có thêm tự tin để hoàn
thành luận văn này. Em xin chân thành cám ơn cô Thái Thị Thu Hà đã tạo điều
kiện cơ sở vật chất để em có không gian thực hiện luận văn, thầy Lê Đình Tuân đã
nhiệt tình truyền đạt, hướng dẫn em những kiến thức chuyên ngành hết sức mới mẻ,
bổ ích giúp chúng em hiểu rõ hơn và phát hiện những sai sót, cho em những lời
khuyên để hoàn thành luận văn này trong điều kiện tốt nhất.
Em xin cám ơn thầy Trần Đại Nguyên, thầy Nguyễn Thanh Nam đã tạo điều
kiện cơ sở sở vật chất giúp em thuận lợi hơn trong việc thí nghiệm, cùng anh Bình

và anh Phước đã nhiệt tình hướng dẫn em sử dụng các thiết bị trong phòng thí
nghiệm.
Cuối cùng chúng em xin cảm ơn bố, mẹ, anh, chị và những người thân đã
tạo điều kiện tốt nhất và là chỗ dựa tinh thần vũng chắc cho em trong suốt thời
gian học tập, tìm hiểu, thực hiện và hoàn tất luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn!

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 11 năm 2012

Học Viên

Đinh Văn Đức




TÓM TẮT LUẬN VĂN
Đề tài “Nghiên cứu thiết kế lực kế trong gia công tạo hình gia tăng đơn điểm
(SPIF)” được trình bảy trong 4 chương (single point increment forming):
Chương I: Là phần giới thiệu tổng quan về phương pháp biến dạng gia tăng
đơn điểm, tình hình thực tế và sự cấp thiết của đề tài. Từ đó đặt ra mục tiêu cụ thể của
luận văn.
Chương II: Tìm hiểu các nhân tố ảnh hưởng đến độ chính xác và khả năng tạo
hình trong SPIF.
Chương III: Giới thiệu một số loại lực kế và trình tự tính toán thiết kế lực kế
vòng tám cạnh cho gia công SPIF.
Chương IV: Cải tiến dụng cụ SPIF nâng cao chất lượng sản phẩm
Chương V: Kết luận và hướng phát triển đề tài.
Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn

HVTH: Đinh Văn Đức Trang 1

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 4
ABSTRACT 6
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP BIẾN DẠNG GIA TĂNG ĐƠN
ĐIỂM (SPIF) 7
1.1 Các công nghệ tạo hình tấm 7
1.1.1 Gò 7
1.1.2 Nong ép 7
1.1.3 Phƣơng pháp miết 8
1.2 Giới thiệu về phƣơng pháp tạo hình gia tăng đơn điểm (SPIF) 9
1.2.1 Tạo hình gia tăng không đối xứng 9
1.2.3 Tạo hình gia tăng đơn điểm 10
1.2.3.1 Nguyên lý 10
1.2.3.2 Thiết bị 12
1.2.3.3 Dụng cụ 13
1.2.3.4 Đồ gá kẹp tấm kim loại 18
1.2.3.5 Thông số công nghệ 19
1.3 Khả năng ứng dụng của phƣơng pháp SPIF 22
1.4 Tình hình nghiên cứu 23
1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 23
1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc 29
1.4.3 Nhận xét 33
1.4.4 Một số vấn đề cần giải quyết 34
1.5 Tính cấp thiết của đề tài 34
CHƢƠNG 2: CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ KHẢ
NĂNG TẠO HÌNH TRONG SPIF 35
2.1 Các nhân tố ảnh hƣởng đến độ chính xác và chất lƣợng của chi tiết gia công bằng
SPIF 35

2.1.1 Góc nghiêng thành chi tiết 37
2.1.2 Tính đàn hồi của vật liệu 37
Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn

HVTH: Đinh Văn Đức Trang 2

2.1.3 Các bề mặt có bán kính cong lớn 38
2.1.4 Khe hở giữa dụng cụ và vật đỡ 38
2.2 Lực trong SPIF 38
2.2.1 Lực 38
2.2.2 Ma sát 40
2.2.2.1 Ma sát tiếp tuyến 40
2.2.2.2 Ma sát xoắn 40
2.2.2.3 Ma sát tổng 41
2.3 Biểu đồ đƣờng cong giới hạn tạo hình 41
2.3.1 Ảnh hƣởng của góc thành sản phẩm 41
2.3.2 Ảnh hƣởng của tốc độ quay 43
2.3.3 Ảnh hƣởng độ lớn của bƣớc 44
2.3.4 Ảnh hƣởng của đƣờng kính dụng cụ 44
2.3.5 Ảnh hƣởng của chất bôi trơn 45
2.4 Mối liên hệ giữa lực và khả năng tạo hình 47
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ LỰC KẾ 48
3.1 Tổng quan về lực kế 48
3.1.1 Các yêu cầu của lực kế 48
3.1.3.1 Cảm biến vòng tám cạnh 49
3.1.3.2 Cảm biến sử dụng strain gauges khác 52
3.1.3.2 Cảm biến áp điện 56
3.1.3.3 Lực kế điện dung 59
3.1.3.4 Không trực tiếp 60
3.2 Xem xét lựa chọn phƣơng án thiết kế 61

3.3 Thiết kế lực kế và chế tạo lực kế 62
3.3.1 Một số nghiên cứu về cảm biến vòng tám cạnh 62
3.3.2 Sơ đồ nguyên lý 62
3.3.3 Xác định kích thƣớc của vòng tám cạnh 63
3.3.4 Đặc tính động học của lực kế 65
3.3.5 Định hƣớng của màng biến dạng và vòng trên lực kế 66
Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn

HVTH: Đinh Văn Đức Trang 3

3.3.6 Thiết lập mạch cầu Wheatstone sử dụng trong lực kế 67
3.3.6.1 Loại strain gages và cách bố trí 70
3.3.6.2 Phƣơng pháp dán 71
3.3.7 Thiết kế mạch khuyếch đại cho lực kế 74
3.4 Kết quả 75
3.5 Qui đổi lực ra thành phần lực tiếp tuyến 75
3.6 Calip 78
3.6.1 Trình tự calip 78
3.6.1.1 Thiết bị 78
3.6.1.2 Calip thành phần lực theo phƣơng z 80
3.6.1.3 Calip thành phần lực theo phƣơng x 83
3.6.1.4 Calip thành phần lực theo phƣơng y 86
CHƢƠNG 4: CẢI TIẾN KẾT CẤU DỤNG CỤ SPIF NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
SẢN PHẨM 89
4. Gia công thử nghiệm 89
4.1 Thiết bị 89
4.2. Dụng cụ 89
4.3 Thiết lập thực nghiệm 89
4.4 Kết quả thử nghiệm 90
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 93

5.1 Những vấn đề đã thực hiện 94
5.2 Hƣớng phát triển đề tài 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO 94
PHỤ LỤC 99

Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn

HVTH: Đinh Văn Đức Trang 4


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay khoa học kỹ thuật đã đạt đƣợc những thành tựu to lớn. Sản phẩm
đáp ứng nhu cầu của ngƣời tiêu dùng rất nhanh và tính cạnh tranh trong thị trƣờng
cũng ngày càng khốc liệt hơn. Sản phẩm không chỉ đơn thuần đáp ứng về độ bền mà
mẫu mã của nó phải đẹp và bắt mắt hơn, thời gian đáp ứng cũng phải nhanh hơn nữa.
Trong bối cảnh đó, nhiều doanh nghiệp đã thành lập những đội ngũ nghiên cứu và
thiết kế ra các loại máy móc thiết bị nhằm sản xuất ra những sản phẩm đáp ứng nhanh
các nhu cầu trên. Nhƣng với bối cảnh nƣớc ta, trình độ kỹ thuật còn chƣa cao, kinh
phí dành cho nghiên cứu thiết kế lại chƣa nhiều, nên chúng ta cũng chọn con đƣờng
đi tắt, giải mã công nghệ tiên tiến, để từ đó thiết kế ra những thiết bị theo khả năng
của mình.
Single point incremental forming (SPIF) là một công nghệ mới để tạo hình kim
loại tấm. Kỹ thuật tạo hình gia tăng đã đƣợc phát triển trong thập kỷ vừa qua. SPIF là
một quá trình rất linh hoạt - thiết lập sản xuất của chi tiết mới chỉ trong vài giờ chứ
không phải là vài ngày nhƣ một số phƣơng pháp hình thành truyền thống. Quá trình
sử dụng dữ liệu chính xác CAD đại diện cho một phần sản xuất. Công việc thủ công
coi nhƣ không cần thiết, và nhƣ vậy, tính lặp lại của quá trình này là rất tốt. Hạn chế
của quy trình là thời gian tạo hình tƣơng đối dài. Vì lý do đó, SPIF rất khả thi trong
tạo mẫu nhanh và sản xuất loạt nhỏ.
Trƣớc hết, đề tài tìm hiểu về các thông số ảnh hƣởng đến độ chính xác của sản

phẩm gia công bằng SPIF, chủ yếu tập trung vào đƣờng kính dụng cụ, bƣớc tiến dụng
cụ, và cuối cùng xác định đƣợc bƣớc tiến của dụng cụ và đƣờng kính dụng cụ có liên
quan đến lực dụng cụ tác dụng lên chi tiết gia công. Từ đó thiết kế lực kế để đo lực
trong gia công nhằm điều khiển đƣợc đƣờng kính và bƣớc tiến dụng cụ để cải thiện
khả năng tạo hình khi gia công.
Đề tài “ Nghiên Cứu Thiết Kế Lực Kế Trong Gia Công Biến Dạng Gia Tăng
Đơn Điểm SPIF” nhằm mục đích nghiên cứu và thiết kế một loại lực kế để đo lực
Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn

HVTH: Đinh Văn Đức Trang 5

trong gia công bằng SPIF, từ đó giám sát lực làm tăng khả năng tạo hình của chi tiết
gia công.

Tp. HCM, tháng 12 năm 2012
Đinh Văn Đức

Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn

HVTH: Đinh Văn Đức Trang 6

ABSTRACT
Today, science and technology has made great achievements. Products to meet
the needs of consumers very fast and competitive in the market and more and more
intense. Products not only meet about the durability of its design must be beautiful
and more eye-catching, response time is also faster. In this context, many companies
have established research and design team of machinery and equipment to produce
these products for quick response on demand. But with the country context, the
technical level is not high, funding for research design is not much, so we chose to go
off, advanced decoding technology, so that the design the equipment according to
your ability.
Single point incremental forming (SPIF) is a new technology for sheet metal
forming. Added visual techniques have been developed in the past decade. SPIF is a
very flexible process - set up production of new details in a matter of hours rather
than days as a traditional method of formation. Process data using accurate CAD
represents a production. Manual work as unnecessary, and as a result, the repetition of
this process is very good. The drawback of the process is relatively long shaping time.
For this reason, SPIF is very feasible in the rapid prototyping and small batch
production.
First of all, subjects learn about the parameters affecting the accuracy of the
processed products by SPIF, mainly focusing on the diameter tools, step tools, and
finally determine the progress of diameter tools and equipment related to power tools
acting on information processing. Since then force designed to measure the force in
the design process, can control the diameter and step tool to improve the forming
process.
Project "Research Design and force Processing deformation of SPIF Unit

Growth Point" for the purpose of research and design a capacity to measure the force
in outsourcing by SPIF designed to increase the formability of component.
Ho Chi Minh City, December 2012
Dinh Van Duc
Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn

HVTH: Đinh Văn Đức Trang 7

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP BIẾN
DẠNG GIA TĂNG ĐƠN ĐIỂM (SPIF)
1.1 Các công nghệ tạo hình tấm
Trải qua một thời gian phát triển lâu dài, ngành công nghệ kim loại đƣợc các
nhà khoa học nghiên cứu lý thuyết, phân loại dựa trên các đặc điểm về gia công tạo
hình. Sau đây là một số phƣơng pháp gia công tấm cổ điển có khuôn và không cần
khuôn.
1.1.1 Gò
Tạo hình sản phẩm tấm bằng cách gây áp lực nhỏ gần nhƣ điểm của búa, đe.
Thông thƣờng, gò đƣợc thực hiện thủ công, nguội ở nhiệt độ thƣờng, dùng cho sửa
chữa (vỏ xe ôtô, đƣờng ống khí thải, thùng, máng xối…), nói chung, gò thủ công
thƣờng không cần dùng khuôn có hình dáng chính xác giống thành phẩm mà chỉ cần
dùng cách gá, tấm tựa có hình dáng đơn giản. Tuy nhiên phƣơng pháp này đòi hỏi tay
nghề ngƣời thợ cao và gặp khó khăn đối với các sản phẩm có hình dáng phức tạp, đòi
hỏi độ chính xác cao về hình dáng và kích thƣớc [15].

Hình 1.1 Sản phẩm tạo ra từ phương pháp gò
1.1.2 Nong ép
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 [15]. Có nhiều
công nghệ ép khác nhau: ép sâu, ép lại, ép vách…
Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn

HVTH: Đinh Văn Đức Trang 8


Hình 1.2 Phương pháp ép sâu
1.1.3 Phƣơng pháp miết
Các phƣơng pháp gia công định hình kim lọai tấm truyền thống đƣợ
ập nóng, dập nguộ , , – ,
thủy lực đều cần phải có khuôn và chày hoặc máy chuyên dùng.
Các phƣơng pháp này cho năng suất cao nhƣng chỉ phù hợp với sản xuất với số lƣợng
lớn mới có thể đủ hoàn vốn cho chi phí chế tạo khuôn, chày thƣờng phức tạp và tốn
kém.

[15].

Hình 1.3
đơn y
Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn

HVTH: Đinh Văn Đức Trang 9


có
.


Hình 1.4 Phương pháp miết sử dụng con lăn
1.2 Giới thiệu về phƣơng pháp tạo hình gia tăng đơn điểm (SPIF)
1.2.1 Tạo hình gia tăng không đối xứng
Ý tƣởng ban đầu về tạo hình gia tăng không đối xứng đã đƣợc hình thành cách

đây hơn 40 năm, đƣợc đăng ký phát minh bởi Leszak (năm 1967) nhƣng không thể
đƣa vào ứng dụng cho đến những năm gần đây, một trong những nguyên nhân là sự
phát triển của máy CNC chƣa cao. Công nghệ này lần đầu tiên xuất hiện trong những
tài liệu khoa học vào đầu những năm 90. Quá trình này đƣợc phát triển nhằm đáp ứng
sự thiếu hụt khả năng tạo mẫu nhanh trong lĩnh vực biến dạng kim loại tấm.
Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn

HVTH: Đinh Văn Đức Trang 10

Các ý tƣởng về quá trình mới thƣờng đƣợc phát hiện từ những phƣơng pháp
truyền thống. Những quá trình này bị ràng buộc hình dạng chi tiết đạt đựơc phải liên
quan và yêu cầu công nghệ và khuôn chuyên dùng [18].
1.2.3 Tạo hình gia tăng đơn điểm
1.2.3.1 Nguyên lý
Tạo hình bằng phƣơng pháp gia tăng đơn điểm là một phƣơng pháp mới trong
tạo hình tấm, có thể gia công hình dạng phức tạp mà không cần có khuôn riêng. Chi
tiết gia công đƣợc gá cố định trên đồ gá và đồ gá đƣợc cố định trên bàn máy của máy
nhƣ trên hình 1.5. Khi dụng cụ nhấn xuống sẽ tiếp xúc với tấm, tác dụng lên tấm một
lực gây ra hiện tƣợng biến dạng cục bộ với một lƣợng rất nhỏ. Dụng cụ di chuyển
theo quỹ đạo đã đƣợc xác định trƣớc đó nhờ các phần mềm CAD/CAM và tạo hình
liên tục kim loại tấm bằng một chuỗi tăng các bƣớc cho đến khi đạt đƣợc chiều sâu h
cuối cùng của chi tiết.

Hình 1.5 Tạo hình bằng phương pháp gia tăng đơn điểm
Hình 1.6 cho thấy hai cách xuống dụng cụ trong SPIF. Kiểu đƣờng xoắn ốc
cho chất lƣợng chi tiết tốt hơn và ít xảy ra rách nứt chi tiết hơn.
Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn

HVTH: Đinh Văn Đức Trang 11

Hình 1.6 Đường chạy dao của SPIF
Dụng cụ tạo hình là một đầu bán cầu bóng đƣợc kẹp trên trục chính của máy,
đƣợc làm từ thép gió hoặc thép hợp kim cứng. Các thông số công nghệ trong SPIF
(hình 1.7) gồm: độ dày của tấm s, tốc độ quay trục chính n, đƣờng kính dụng cụ d,
bƣớc tiến dụng cụ theo phƣơng đứng Δz, tốc độ di chuyển dụng cụ f, góc nghiêng
thành chi tiết α.
Khi dụng cụ tiếp xúc với tấm kim loại sẽ tác dụng lên tấm ba thành phần lực
theo 3 phƣơng F
x
, F
y
và F
z
.
Hai thông số quan trọng trong gia công SPIF là đƣờng kính dụng cụ d và bƣớc
tiến dụng cụ Δz, khi tăng hai thông số này thì lực gia công tăng tuyến tính và ảnh
hƣởng đến khả năng biến dạng của chi tiết [27]. Do đó cần thiết phải đo lực.

Hình 1.7 Bước trong tạo hình SPIF
Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn

HVTH: Đinh Văn Đức Trang 12

1.2.3.2 Thiết bị

Hình 1.8 Máy CIELLE CNC dùng cho phương pháp SPIF

Hình 1.9 Cánh tay rôbôt dùng cho phương pháp SPIF
Có thể dùng máy Phay CNC 3, 4, 5, ặc tay máy rôbôt. Tuy nhiên cần

chú ý đế ới hạ ực dọc
trục Z của máy phay CNC khi muốn biến dạng các tấm có bề dày v ớn.
Còn đối với tay máy rôbôt, ƣu điểm so với miết truyền thống là sự linh hoạt và khả
năng liên kết các giai đoạn của quá trình gia công nhƣ cố định tấm, tạo hình, cắt, xử
lý bề mặt. Hạn chế chủ yếu của cánh tay rôbôt là không đủ cứng vững nhƣ máy phay
dẫn đến giảm độ chính xác đặc biệt khi chịu tải lớn.
Ngoài máy phay CNC thông thƣờng, ngƣời ta còn thiết kế một loại máy tƣơng
tự nhƣ máy phay CNC. Đây là một loại máy chuyên dùng để biến dạng vì thế trục Z
có thể cung cấp đƣợc lực biến dạng hơn 13 KN, ít có máy phay CNC nào có thể đáp
ứng đƣợc thông số này.
Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn

HVTH: Đinh Văn Đức Trang 13


Hinh 1.10 Máy Allwood‟s SPIF
1.2.3.3 Dụng cụ
Từ nguyên lý của quá trình SPIF, ta có các yêu cầu đối với dụng cụ nhƣ sau:
- Vật liệu làm dụng cụ tạo hình phải đạt độ cứng cao để tránh mòn và biến
dạng dụng cụ.
- Đƣờng kính và chiều dài của dụng cụ tạo hình đƣợc lựa chọn tùy thuộc vào
hình dáng và kích thƣớc của sản phẩm. Khi đƣờng kính dụng cụ lớn thì
thời gian gia công nhanh, độ bóng đạt cao hơn, nhƣng góc giới hạn biến
dạng của tấm sẽ giảm, độ chính xác về hình dáng cũng giảm đi. Dụng cụ
tạo hình nhỏ và dài sẽ gây rung động lớn, ảnh hƣởng đến chất lƣợng bề mặt
tấm và khiến cho dụng cụ dễ biến dạng. Dụng cụ tạo hình ngắn sẽ tạo cứng
vững nhƣng chiều sâu biến dạng bị giới hạn. Với dụng cụ tạo hình có góc
chắn ở đầu nhỏ thì góc nghiêng tạo hình chi tiết bị giới hạn. Dụng cụ tạo
hình nhỏ nhất nên có đƣờng kính 6 mm, bán kính tối thiểu là 3 mm. Đa số
các thực nghiệm cho thấy rằng bán kính nhỏ nhất hay đƣợc sử dụng nên là

5 mm.
- Đầu dụng cụ tạo hình phải đạt bóng độ nhám lên đến 1,25 µm và không
đƣợc để bị mòn vì sẽ khiến chất lƣợng bề mặt giảm và làm hỏng sản phẩm.
- Độ chính xác dụng cụ: Do gia công bằng tiện bề mặt ngoài nên độ chính
xác dụng cụ có thể đạt đƣợc cấp 8.
Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn

HVTH: Đinh Văn Đức Trang 14

1.2.3.3.1 Một số dụng cụ hiện có
1.2.3.3.1.1 Vật liệu
Tùy khả năng có thể chế tạo đƣợc dụng cụ mà ta chọn vật liệu dụng cụ tạo
hình cho phù hợp. Đầu của dụng cụ tạo hình đƣợc chế tạo bằng carbide xementit [37],
mạ carbide xementit [38], phủ một lớp chống ma sát nhƣ TiN, CrN, DLC, hoặc mạ
teflon [39] để có thể đạt độ cứng và chống mài mòn tốt khi tạo hình các vật liệu cứng
nhƣ thép hoặc inox. Ngoài ra có thể dùng vật liệu thép gió [40, 41] hoặc thép cứng,
đƣợc gọi là Vanadisr23, sản xuất bởi Uddeholm (UDDEL). Vanadisr 23 là hợp kim
tốc độ cao đƣợc sử dụng làm công cụ cắt hoặc để làm dụng cụ tạo hình.
1.2.3.3.1.2 Phân loại
Dụng cụ trong SPIF có thể chịu nhiều ma sát hoặc ít ma sát. Do đó tác giả
phân loại dụng cụ thành hai loại nhƣ sau:
a) Dụng cụ có thể quay tự do quanh trục của nó
Để giảm tối đa lực ma sát giữa bề mặt sản phẩm với dụng cụ tạo hình, ngƣời ta
chế tạo đầu dụng cụ tạo hình là một khớp quay, trong đó đầu dụng cụ lăn tròn và tiếp
xúc với bề mặt sản phẩm, tạo nên ma sát lăn dụng cụ, có hình dạng nhƣ sau:

Hình 1.11 Dụng cụ tạo hình Allwood's có đầu lăn tự do
Dụng cụ tạo hình đặc biệt do tác giả Julian Allwood [37] và trợ lý Kathryn
Jackson ở trƣờng ĐH Cambridge chế tạo. Đây là loại dụng cụ tạo hình có các yêu cầu
kỹ thuật nhƣ các loại dụng cụ kể trên nhƣng có thêm đặc tính là chịu đƣợc lực phản

hồi và đầu dụng cụ có thể quay tự do. Tuy nhiên, nhƣợc điểm của nó là không biến
Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn

HVTH: Đinh Văn Đức Trang 15

dạng đƣợc những sản phẩm có góc giới hạn lớn, thời gian chế tạo rất lâu, không phù
hợp với điều kiện tạo mẫu nhanh.

Hình 1.12 Mặt cắt của dụng cụ tạo hình Allwood's
1. Đầu dụng cụ; 2.Trục đỡ; 3. Bạc chặn ổ lăn; 4. Ổ lăn; 5. Bộ phận hấp thu phản
lực; 6. Giá đỡ đầu dụng cụ; 7. Bulon siết
Các tác giả Elisabetta Ceretti, Claudio Giardini, Aldo Attanasio [39] đã sử
dụng một dụng cụ có thể quay hoặc không quay quanh trục chính. Trƣờng hợp dụng
cụ có thể quay quanh trục chính nhằm làm biến ma sát trƣợt thành ma sát lăn để có
thể đạt đƣợc bề mặt tốt hơn. Kết cấu của dụng cụ này nhƣ sau:

Hình 1.13 Dụng cụ đã sử dụng
3
1
4
2
5
7
6
100
0.1
A
1.25
100
0.1

A
1.25
Ø12
Ø12
Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn

HVTH: Đinh Văn Đức Trang 16

Cũng có thể sử dụng hệ thống điều khiển dụng cụ cho lực tác dụng để đảm bảo
an toàn cho máy và vật liệu. Hệ thống này cho phép dụng cụ di chuyển ngƣợc lại khi
tải làm việc quá cao. Sự di chuyển này có đƣợc là nhờ một lò xo đƣợc thiết kế có độ
cứng thích hợp và tải trọng đặt trƣớc nhƣ hình 1.14. Điều này là quan trọng để đảm
bảo cho nguyên công đƣợc an toàn khi dụng cụ tác dụng tải cần thiết để biến dạng vật
liệu.

Hình 1.14 Hệ thống thu về của dụng cụ
b) Dụng cụ trong gia công SPIF không thể quay tự do quanh trục của nó
Đầu dụng cụ trong các bài báo có thể hình bán cầu, hình cầu liền cán, hoặc
hình bo.
Các tác giả G. Hussain, L.Gao , N.U. Dar [40] đã sử dụng thép gió (HSS) để
chế tạo dụng cụ có đầu hình bán cầu đƣờng kính 8 mm để tạo hình cho chi tiết hình
côn thẳng, côn cong và kim tự tháp cụt bằng nhôm có chiều dày 0,91 mm, với lƣợng
chạy dụng cụ là 2500 mm/ph và chiều sâu bƣớc tiến là 0,15 mm.
Các tác giả Nguyễn Thanh Nam, Phan Đình Tuấn, Võ Văn Cƣơng, Lê Khánh
Điền, Nguyễn Thiên Bình, Lê Trung Hiếu [41] trong Phòng Thí Nghiệm Điều Khiển
Số Và Kỹ Thuật Hệ Thống trƣờng đại học Bách Khoa TP Hồ Chính Minh đã chế tạo
dụng cụ bằng thép gió để tạo hình cho chi tiết bằng nhôm A1050-H14. Đầu dụng cụ
có hình bán cầu, có đƣờng kính là 5 và 10 mm, độ nhám bề mặt là 1,25 µm. Dụng cụ
sau khi gia công tiện đƣợc nhiệt luyện trong dầu nóng từ 50
0

-80
0
. Thép gió đƣợc sử
dụng là loại thép dụng cụ hợp kim cao, đƣợc dùng làm dụng cụ cắt có năng suất cao,
tính cứng nóng đạt 560
0
-600
0
C, sau khi nhiệt luyện có thể đạt độ cứng tới 60 HRC.
Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn

HVTH: Đinh Văn Đức Trang 17


a) b)
Hình 1.15 Dụng cụ làm bằng thép gió trong PTN điều khiển số và kỹ thuật hệ
thống đại học Bách Khoa TPHCM
Dụng cụ giống nhƣ hình 1.15 a) đƣợc chế tạo khi đƣờng kính đầu dụng cụ đủ
lớn, khoảng trên 8 mm. Khi đƣờng kính đầu dụng cụ nhỏ nhƣ hình 1.15 b) thì phần
cán của dụng cụ phải đủ lớn để tránh ảnh hƣởng uốn, rung của dụng cụ đến chất
lƣợng chi tiết gia công.
Nhƣợc điểm của dụng cụ làm bằng thép gió này là thời gian chế tạo và nhiệt
luyện dụng cụ rất lâu.
A. Formisano, M. Durante, A. Langella, F. Capece Minutolo [42] đã sử dụng
dụng cụ đầu hình bán cầu và hình bo để khảo sát ảnh hƣởng của bƣớc tạo hình, đánh
giá tầm quan trọng của các thông số đến hình dáng hình học chi tiết nhất định.
R5
±0.1
100
0.1

A
A
1.25
10
R2.5
±0.1
100
0.1
A
A
1.25
5
10
Ø10
Ø10
Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn

HVTH: Đinh Văn Đức Trang 18


Hình 1.16 Dụng cụ
a) Đầu hình bán cầu và b) Đầu hình bo
1.2.3.4 Đồ gá kẹp tấm kim loại

Hình 1.17 Đồ gá kẹp khi gia công bằng phương pháp SPIF
Đồ gá kẹp khi gia công bằng phƣơng pháp biến dạng SPIF đơn giản, chi phí
chế tạo thấp và dễ dàng thay đổi cho phù hợp với sản phẩm [2].
Yêu cầu kỹ thuật của đồ gá:
Kích thƣớc bao của đồ gá tùy thuộc vào kích thƣớc giới hạn làm việc của 3
trục máy CNC.

R5
80
Ø10
R2
Ø10
1.25
1.25
Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn

HVTH: Đinh Văn Đức Trang 19

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 phay CNC.
Để tiện cho việc lắp và tháo đồ gá ra khỏi máy CNC dễ dàng, các bộ phận của
đồ gá đƣợc 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 1.18 Đồ gá được lắp trên máy phay đứng
Đối với máy Phay CNC ngang, đồ gá đƣợc chế tạo nhƣ hình dƣới đây:

Hình 1.19 Vị trí tương quan của đồ gá với dụng cụ tạo hình trên máy phay ngang
Do lực biến dạng có xu hƣớng lật đổ đồ gá chứ không ép xuống nhƣ ở máy
CNC có trục đứng vì thế đồ gá yêu cầu phải chế tạo vuông góc với mặt bàn của máy
và có độ cứng vững cao hơn.
1.2.3.5 Thông số công nghệ
1.2.3.5.1 Độ dày của tấm
Bề dày tấm kim loại ảnh hƣởng lên góc xuống dao lớn nhất. Theo định lý Sin
[1]:
Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. TS Đặng Văn Nghìn

HVTH: Đinh Văn Đức Trang 20


Hình 1.20 Minh họa chiều dày chi tiết
1
.sin os
oo
t t t c
(1.1)
(t
1
: bề dày tấm sau khi biến dạng, t
o
: bề dày tấm lúc ban đầu, α góc giới hạn
biến dạng) chiều dày tấm càng lớn thì góc α càng lớn, làm tăng khả năng tạo hình.

1.2.3.5.2 Tốc độ quay trục chính n
Theo lý thuyết thì tăng tốc độ quay trục chính (vòng/phút) có thể tăng khả
năng tạo hình. Khả năng tạo hình tăng lên là do toả nhiệt cục bộ làm kim loại dễ biến
dạng hơn. Tuy nhiên có một khía cạnh tiêu cực, đó là dụng cụ sẽ bị mòn nhanh và
phải tăng thêm số lƣợng chất bôi trơn, từ đó nảy sinh các vấn đề về an toàn và môi
trƣờng.
Tốc độ quay của dụng cụ đƣợc tính theo công thức [4]:
ef rf f
v v v
(1.2)
Trong đó
ef
v
: Tốc độ hiệu dụng

rf
v
: Tốc độ dụng cụ
f
v
: Lƣợng chạy dụng cụ