nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng biến dạng vật liệu kim loại tấm trong gia công bằng phương pháp tạo hình gia tăng (spif) ở nhiệt độ cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
BÙI ANH PHI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ ĐẾN KHẢ NĂNG BIẾN DẠNG VẬT LIỆU
KIM LOẠI TẤM TRONG GIA CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP
TẠO HÌNH GIA TĂNG (SPIF) Ở NHIỆT ĐỘ CAO

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

S K C0 0 4 5 6 0

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
BÙI ANH PHI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG
NGHỆ ĐẾN KHẢ NĂNG BIẾN DẠNG VẬT LIỆU KIM LOẠI
TẤM TRONG GIA CÔNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP TẠO
HÌNH GIA TĂNG (SPIF) Ở NHIỆT ĐỘ CAO

NGÀNH: KĨ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103
Hƣớng dẫn khoa học:
TS.LÊ VĂN SỸ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2015


ii


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: BÙI ANH PHI

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 26/02/1986

Nơi sinh: Tiền Giang

Quê quán:

Dân tộc: Kinh

Tiền Giang

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 22/25, Đ.15, KP. Nhị Đồng I, P. Dĩ An, TX. Dĩ
An, T. Bình Dƣơng
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại nhà riêng: 0985279900

Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/
Nơi học (trƣờng, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 03/2009
Nơi học (trƣờng, thành phố): Hồ Chí Minh
Ngành học: Cơ khí chế tạo máy
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo bộ phận bó lúa cho
máy gặt xếp dãy
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: năm 2009 tại đại học Sƣ
Phạm Kĩ Thuật Tp. HCM
Ngƣời hƣớng dẫn: Th.S. Trần Quốc Hùng

i


III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
2009-2010

2011-2013

2013-2015

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Cty TNHH MTV Động Cơ và Máy
Nông Nghiệp Miền Nam
Cty TNHH Kỹ Nghệ Nhiệt và Môi
Trƣờng CAXE
Cty TNHH Phần Mềm FPT

ii

Nhân viên R&D
Phụ trách phòng kĩ thuật
Nhân viên Cad - Cam


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 03 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

iii


CẢM TẠ

Tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các cá nhân và tổ chức:
1. T.S. Lê Văn Sỹ - cán bộ hƣớng dẫn, Trƣờng Đại học Dầu Khí Việt Nam
2. PGS.TS. Đặng Thiện Ngôn – Cán bộ phản biện, trƣờng ĐH SPKT TP. HCM
3. TS. Nguyễn Huy Bích – Cán bộ phản biện, trƣờng ĐH Nông Lâm TP.HCM
4. PGS.TS. Nguyễn Thanh Nam – Giám đốc PTN Trọng Điểm Điều Khiển Số
Và Kĩ Thuật Hệ Thống, ĐH Quốc Gia HCM
5. Th.S. Nguyễn Tấn Hùng, trƣởng phòng đào tạo, trung tâm cơ khí chính xác,
PTN trọng điểm điều khiển số và kĩ thuật hệ thống, ĐH quốc gia HCM
6. Bà Hứa Thị Huần, GĐ Cty TNHH KNN & MT CAXE, Tân Hòa, Đông Hòa,
Dĩ An, Bình Dƣơng
7. Xƣởng cơ khí Chiến Lƣợc, Hoàng Hữu Nam, Q.9, tp HCM
8. Thầy Huỳnh Nguyễn Kossel, Trƣởng khoa Điện tử máy tính, trƣờng Cao
đẳng nghề Số 7.
9. Thầy Trần Trung Kiên, giảng viên khoa cơ khí, trƣờng Cao đẳng Công
Thƣơng Tp. HCM
cùng quý thầy cô trong hội đồng phản biện, quý thầy cô trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kĩ
Thuật Tp.HCM, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã ủng hộ và tạo điều kiện tốt để
tôi hoàn thành luận văn này!

iv


TÓM TẮT
Đề tài “Nghiên cứu các thông số công nghệ ảnh hƣởng đến biến dạng vật liệu
kim loại tấm trong gia công bằng phƣơng pháp tạo hình gia tăng (SPIF) ở nhiệt độ
cao” đề cập đến phƣơng pháp gia công công mới, linh hoạt, giá thành thấp trong chế
tạo mẫu hoặc sản xuất đơn chiếc vật liệu tấm. Đó là quá trình gia công bằng cách
miết một dụng cụ đầu tròn không lƣỡi cắt đầu bán cầu trên một tấm kim loại đƣợc
kẹp chặt. Khả năng tạo hình của tấm đƣợc đánh giá qua góc biến dạng lớn nhất α max
(0) mà ở đó vật liệu không bị rách.Nghiên cứu đƣợc thực hiện trƣờng Đại học Bách

khoa Tp.HCM từ cuối năm 2014 đến đầu năm 2015.Đề tài gồm hai phần chính là
thực nghiệm và mô phỏng số.
Quá trình thực nghiệm đƣợc thực hiện trên máy điều khiển số ba trục SPIF
tại xƣởng C1 cho vật liệu tấm SUS 304 ở nhiệt độ cao.Tấm vật liệu đƣợc gia nhiệt
bằng lò điện trở với nhiệt độ đạt đƣợc rất cao phù hợp với hầu hết các vật liệu kim
loại và thực tế sản xuất. Phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi đƣợc sử
dụng để phân tích ảnh hƣởng của năm thông số công nghệ ở hai mức (nhiệt độ chi
tiết T (0C) (100 ÷ 400), bƣớc tiến theo phƣơng z của dụng cụ ∆z (mm) (0,2 ÷ 0,5),
tốc độ chạy dụng cụ Vxy (mm/phút) (500 ÷ 1500), đƣờng kính dụng cụ D (mm)(6 ÷
12) và tốc độ trục chính n (vòng/phút) (500 ÷ 1000)) đến góc tạo hình và xây dựng
phƣơng trình hồi quy dự đoán α. Thí nghiệm sử dụng quỹ đạo dụng cụ là đƣờng
xoắn ốc với bƣớc tiến ∆z bằng với bƣớc xoắn, trên mẫu là hình nón cụt với đƣờng
sinh cong có α thay đổi liên tục theo chiều sâu z. Kết quả cho thấy hai thông số ảnh
hƣởng đáng kể đến α là Vxy và T. Ảnh hƣởng của tốc độ trục chính là không đáng
kể.Góc biến dạng αmax đƣợc dự đoán là 77,50.
Đề tài còn sử dụng mô phỏng FEM để dự đoán vết nứt xuất hiện bằng phần
mềm Abaqus. Tuy mô hình FEM có hai trục đối xứng nhƣng quá trình SPIF là bất
đối xứng nên tiến hành khảo sát trên toàn bộ mô hình. Kiểu phần tử đƣợc sử dụng là
phần tử vỏ bốn nút S4RT.Kết quả là mô phỏng có thể dự đoán đƣợc vết nứt nhƣng
độ chính xác về hình dạng hình học thấp.
v


ABSTRACT
This thesis: Influences of processing parameters for forming sheet metal by
using single point incremental forming (SPIF) process at elevated temperature”SPIF
process is new method, flexibility, low cost in prototype or small batch prduction
for sheet materials which used the non-cutting, sphere-end tool forced a clamped
sheet metal. The formabilityis considered by maximum wall angle αmax (0) of cone
so that the material is not torn. The research is implemented at Ho Chi Minh City

University of Technology from the end of 2014 to early 2015. Practical experiments
and FEM simulation are two main contents of this study.
Experiment is performed on three axis CNC machine SPIF at C1 workshop
for SUS 304 sheet at high temperature. The temperature of sheet is supply by
resistance furnace that has high temperature, suitable for most of metal and
manufacture. The Taguchi method is use to analys the effect of five technological
parameters at two level (part temperature T (0C) (100 ÷ 400), step down ∆z (mm)
(0,2 ÷ 0,5), feed rate Vxy (mm/phút) (500 ÷ 1500), tool diameter D (mm) (6 ÷ 12)
vand spindle speed n (vòng/phút) (500 ÷ 1000)) to forming angle and build the
regression equation for α. The tool path is helical path which ∆z is the step of it.
The model is the cone-shape with profile is the cycle so that α continuously
increase. The result indicates that the effect of Vxy and T are larger than others and
of spindle speed is slight. Maximum forming angle is predicted is 77,50.
FEM simulation is use to predict mechanical failure in SPIF. The FEM
model has two symmetric axis but SPIF process is asymmetric. So, simulation used
full cone shape. Element type is shell element S4RT. The result of simulation can
predict the torn but geometry accuracy is low.

vi


MỤC LỤC
Chƣơng 1

TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU .........1

1.1. Tổng quan về hƣớng nghiên cứu ..................................................................1
1.2. Giới thiệu về công nghệ tạo hình gia tăng (Incremental Sheet Forming ISF) ......................................................................................................................3
1.2.1. Mô tả ......................................................................................................3
1.2.2. Các bƣớc trong quy trình gia công bằng phƣơng pháp ISF ...................4

1.2.3. Phân loại ISF ..........................................................................................5
1.2.3.1. SPIF .................................................................................................5
1.2.3.2. TPIF .................................................................................................6
1.2.4. Phân biệt khả năng của SPIF và TPIF ...................................................7
1.2.5. Khả năng biến dạng của SPIF và góc biến dạng ....................................7
1.2.6. Các yếu tố công nghệ ảnh hƣởng khả năng tạo hình SPIF ....................8
1.2.7. Công nghệ SPIF ở nhiệt độ cao .............................................................8
1.3. Tóm tắt các kết quả nghiên cứu ....................................................................9
1.3.1. Nghiên cứu ngoài nƣớc ........................................................................10
1.3.1.1. Ở nhiệt độ thƣờng ..........................................................................10
1.3.1.2. Ở nhiệt độ cao................................................................................11
1.3.2. Nghiên cứu trong nƣớc ........................................................................16
1.4. Mục đích của đề tài .....................................................................................18
1.5. Đối tƣợng, nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu .............................................19
1.5.1. Đối tƣợng .............................................................................................19
1.5.2. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu ........................................................19
1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ....................................................................19
vii


1.7. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................19
Chƣơng 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................20

2.1. Lý thuyết biến dạng ....................................................................................20
2.1.1. Đặc tính vật liệu tấm [19] ....................................................................20
2.1.2. Các loại biến dạng vật liệu tấm ............................................................21
2.1.2.1. Biến dạng đàn hồi ..........................................................................22
2.1.2.2. Biến dạng dẻo ................................................................................22

2.1.2.3. Phá hủy ..........................................................................................22
2.1.3. Cơ chế biến dạng dẻo ...........................................................................22
2.1.3.1. Trƣợt và cơ chế biến dạng trƣợt ....................................................22
2.1.3.2. Song tinh........................................................................................24
2.1.3.3. Biến dạng dẻo trong đa tinh thể ....................................................24
2.1.4. Biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao ...............................................................25
2.1.4.1. Hiệu ứng nhiệt khi biến dạng dẻo .................................................26
2.1.4.2. Hồi phục ........................................................................................26
2.1.4.3. Kết tinh lại .....................................................................................26
2.1.5. Các phƣơng pháp gia công áp lực tấm .................................................27
2.1.5.1. Phân loại dựa trên nhiệt độ kết tinh lại ..........................................27
2.1.5.1.1. Gia công nguội........................................................................27
2.1.5.1.2. Gia công không hoàn toàn nguội ............................................27
2.1.5.1.3. Gia công nóng .........................................................................28
2.1.5.1.4. Gia công nửa nóng ..................................................................28
2.1.5.2. Phân loại dựa trên đặc điểm quá trình dập tấm .............................28
viii


2.1.5.2.1. Biến dạng cắt vật liệu .............................................................28
2.1.5.2.2. Biến dạng dẻo vật liệu ............................................................29
2.1.5.2.3. Dập liên hợp ...........................................................................29
2.2. Ma sát và bôi trơn .......................................................................................29
2.2.1. Ma sát và ảnh hƣởng của ma sát ..........................................................29
2.2.2. Bôi trơn và ảnh hƣởng của bôi trơn đến ma sát ...................................30
2.2.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến lực ma sát tiếp xúc ....................................31
2.3. Lí thuyết truyền nhiệt..................................................................................32
2.3.1. Truyền nhiệt .........................................................................................32
2.3.1.1. Phƣơng pháp nghiên cứu truyền nhiệt ...........................................32
2.3.1.2. Tính chất chung của quá trình truyền nhiệt ...................................32

2.3.1.3. Các phƣơng thức truyền nhiệt .......................................................32
2.3.2. Bức xạ nhiệt .........................................................................................33
2.4. Lý thuyết về quy hoạch và xử lí số liệu thực nghiệm Taguchi ..................34
2.4.1. Sơ lƣợc phƣơng pháp Taguchi .............................................................34
2.4.2. Xác định các yếu tố đầu vào [26] .........................................................36
2.4.2.1. Thông tin tiên nghiệm ...................................................................36
2.4.2.2. Kết quả nghiên cứu lý thuyết ........................................................36
2.4.2.3. Ý kiến chuyên gia ..........................................................................37
2.4.2.4. Các thực nghiệm thăm dò, thực nghiệm sàng lọc .........................37
2.4.2.5. Phƣơng pháp chuyên gia ...............................................................37
2.4.2.6. Các thực nghiệm sàng lọc theo phƣơng án bão hòa ......................37
2.4.2.7. Nhóm các yếu tố vào và chọn mục tiêu đánh giá ..........................38
ix


2.4.3. Thiết kế và tiến hành thí nghiệm..........................................................38
2.4.4. Phân tích kết quả ..................................................................................38
2.5. Lý thuyết phần tử hữu hạn (PTHH) ............................................................40
2.5.2. Phƣơng pháp tích phân tƣờng minh (Explicit) ....................................40
2.5.3. Ổn định của tích phân tƣờng minh .......................................................41
2.5.4. Phƣơng pháp tích phân ẩn (Implicit) ...................................................42
2.5.5. Ổn định của tích phân ẩn......................................................................42
Chƣơng 3

ĐỒ GÁ VÀ HỆ THỐNG GIA NHIỆT .....................................44

3.1. Cấu tạo đồ gá ..............................................................................................44
3.2. Hệ thống gia nhiệt .......................................................................................45
3.2.1. Bộ phận đốt nóng .................................................................................45
3.2.2. Bộ phận cách nhiệt ...............................................................................46

3.2.3. Bộ phận điều khiển ..............................................................................46
3.2.3.1. Yêu cầu điều khiển ........................................................................46
3.2.3.2. Sơ đồ mạch điện ............................................................................47
3.2.3.3. Mô tả hoạt động .............................................................................47
3.2.3.4. Cài đặt các giá trị cho TZN4S .......................................................48
3.2.3.5. Trình tự vận hành ..........................................................................49
3.2.4. Xác định quan hệ giữa nhiệt độ lò và nhiệt độ chi tiết bằng thực
nghiệm ............................................................................................................51
3.2.4.1. Chuẩn bị thí nghiệm ......................................................................51
3.2.4.2. Tiến hành thí nghiệm .....................................................................51
3.2.4.3. Kết quả ..........................................................................................51
x


3.2.5. Quan hệ nhiệt độ - thời gian .................................................................53
Chƣơng 4

THỰC NGHIỆM .......................................................................55

4.1. Vật liệu thí nghiệm .....................................................................................55
4.1.1. Thành phần hóa học .............................................................................55
4.1.2. Biểu đồ ứng suất biến dạng ..................................................................55
4.1.3. Tính chất cơ nhiệt.................................................................................56
4.2. Hình dạng chi tiết khảo sát .........................................................................57
4.3. Đƣờng chạy dao ..........................................................................................57
4.4. Chƣơng trình NC ........................................................................................58
4.5. Máy công cụ ...............................................................................................59
4.6. Dụng cụ tạo hình .........................................................................................60
4.7. Bôi trơn .......................................................................................................60
4.8. Thiết kế thí nghiệm .....................................................................................61

4.8.1. Các yếu tố ảnh hƣởng ..........................................................................61
4.8.2. Ma trận thực nghiệm ............................................................................62
4.9. Tiến hành thí nghiệm ..................................................................................62
4.10. Kết quả và thảo luận .................................................................................63
4.10.1. Đặc điểm chi tiết sau khi gia công .....................................................63
4.10.2. So sánh biên dạng đƣờng sinh giữa thực nghiệm và CAD ................66
4.10.3. Số liệu thu thập đƣợc .........................................................................67
4.10.4. Phân tích .............................................................................................68
Chƣơng 5

MÔ PHỎNG ..............................................................................73

5.1. Mục đích .....................................................................................................73
5.2. Hình dạng chi tiết khảo sát .........................................................................73
5.3. Mô hình thực và mô hình toán ....................................................................73
xi


5.4. Kiểu phần tử................................................................................................74
5.5. Thông số vật liệu trong Abaqus ..................................................................75
5.6. Điều kiện biên .............................................................................................76
5.6.1. Của tấm đế ...........................................................................................76
5.6.2. Của chi tiết ...........................................................................................76
5.6.3. Của dụng cụ .........................................................................................76
5.7. Kết quả ........................................................................................................77
Chƣơng 6

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ...........................................80

6.1. Kết luận .......................................................................................................80

6.2. Khuyến nghị ................................................................................................80
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................82

xii


DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
ANOVA

Analysis Of Variance

CAD

Computer Aided Design

CAM

Computer Aided Manufacture

CB

cầu dao

CNC

Computer numerical control

DOE

Design of Experiment

FEM

Finite Element Method

ISF

Incremental sheet forming

NC

Numerical control

PID

Bộ điều khiển PID

PTHH

Phần tử hữu hạn

PV

Giá trị thực

S/N

Signal/Noise ratio

SPIF

Single point incremental foring

SSR

Solid State Reley

SUS 304

Vật liệu Inox 304

SV

Giá trị cài đặt

TPIF

Two Point Incremental Forming

VDC

Hiệu điện thế của dòng điện một chiều

VAC

Hiệu điện thế của dòng điện xoay chiều

xiii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Một số chi tiết dạng kim loại tấm trên ô tô .................................................1
Hình 1.2. Trình tự vuốt chi tiết dạng côn [1] ..............................................................2
Hình 1.3. Cấu tạo loại khuôn cho một thao tác vuốt [1] ............................................3
Hình 1.4. Nguyên lí ISF [2] ........................................................................................4
Hình 1.5. Quy trình ISF...............................................................................................4
Hình 1.6. SPIF .............................................................................................................6
Hình 1.7. TPIF. a)Trước gia công, b) Đang gia công ................................................6
Hình 1.8. Biên dạng chi tiết khảo sát [3] ....................................................................7
Hình 1.9. Thiết bị gia nhiệt của Ambrogio a)Mô hình CAD b)Mô hình thực ...........12
Hình 1.10. Nghiên cứu của David Adams .................................................................13
Hình 1.11. Hệ thống gia nhiệt bằng dòng một chiều ................................................13
Hình 1.12. Thí nghiệm của Fan ................................................................................14
Hình 1.13. Gia nhiệt bằng Lazer của Doflou ............................................................14
Hình 1.14. Kết quả nghiên cứu của Doflou ..............................................................15
Hình 1.15. Thiết bị gia nhiệt của L.Galdos a) Mô hình CAD b) Mô hình thực tế ....15
Hình 1.16. Một số sản phẩm A1050-H14 gia công bằng thông số tối ưu [16] .......16
Hình 1.17. Thực nghiệm SPIF đối với PVC

a) Bố trí thí nghiệm b) Kết quả .....17

Hình 1.18. Ứng dụng ISF vào thực tế a) Mô hình CAD b) Sản phẩm ....................17
Hình 1.19. Biểu đồ giới hạn tạo hình của composite nền PP sợi thủy tinh E ...........18
Hình 2.1. Quan hệ tải trọng và biến dạng ................................................................21
Hình 2.2. Trượt giữa các mặt tinh thể.......................................................................23
Hình 2.3. Độ bền trong hạt (2) và phân giới hạt (1) .................................................25
Hình 2.4. Quan hệ ứng suất và nhiệt độ của kim loại...............................................25
Hình 2.5. Các phương pháp dập tấm ........................................................................29
Hình 2.6. Tiếp xúc giữa dụng cụ và chi tiết [22] ......................................................30
Hình 2.7. Quan hệ hệ số ma sát và nhiệt độ của thép 0,5÷0,8%C ...........................31

Hình 3.1. Ví dụ về hình dạng chi tiết và hình dạng đế ..............................................44
xiv


Hình 3.2. Chi tiết đồ gá .............................................................................................44
Hình 3.3. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ ...................................................46
Hình 3.4. Sơ đồ mạch điện hệ thống gia nhiệt ..........................................................47
Hình 3.5. Hai loại đáp ứng PID. a) PIDS b) PIDF ..................................................49
Hình 3.6. Tủ điện điều khiển .....................................................................................50
Hình 3.7. Đo nhiệt độ chi tiết tương ứng nhiệt độ lò ................................................51
Hình 3.8. Đồ thị quan hệ nhiệt độ lò và nhiệt độ chi tiết .........................................52
Hình 3.9. Quan hệ nhiệt độ thời gian của lò .............................................................53
Hình 4.1. Biểu đồ ứng suất biến dạng theo nhiệt độ của SUS 304 [32] ...................56
Hình 4.2. Kích thước của mô hình CAD ...................................................................57
Hình 4.3. Hai loại đường chạy dao. a) Đường bậc thang b) Đường xoắn ốc .........57
Hình 4.4. Đường chạy dao của Creo 2.0 ..................................................................58
Hình 4.5. Đường chạy dao thực nghiệm. a) Đường bậc thang b) Đường xoắn ốc .59
Hình 4.6. Máy chuyên dùng ISF a) Của DCSELAB b) Của công ty AMINO .........59
Hình 4.7. Dụng cụ tạo hình .......................................................................................60
Hình 4.8. Mẫu thử khi bôi trơn bằng mỡ chịu nhiệt .................................................60
Hình 4.9. Hệ thống công nghệ phục vụ cho thực nghiệm .........................................61
Hình 4.10. Chạy thí nghiệm mẫu ..............................................................................63
Hình 4.11. Đo giá trị ZM1 bằng thước đo cao ...........................................................63
Hình 4.12. Hình dạng vết nứt

a)Ti-6Al-4V [22] b) AZ31 [2] ...............................64

Hình 4.13. Vùng tiếp xúc giữa dụng cụ và chi tiết a)Vxy = 500 b)Vxy=1500 ........64
Hình 4.14. Dụng cụ tạo hình của V.Fanzen ..............................................................65
Hình 4.15. Đo biên dạng thực bằng thước đo cao và đồng hồ so ............................67

Hình 4.16. Biểu đồ so sánh biên dạng CAD với biên dạng thực của một số mẫu ....67
Hình 4.17. Ảnh hưởng của từng thông số đến góc α theo tỉ số S/N ..........................69
Hình 4.18. Ảnh hưởng của cặp tương tác ∆z-D ........................................................69
Hình 4.19. Biểu đồ Pareto cho ảnh hưởng đến góc biến dạng .................................70
Hình 4.20. Đồ thị quan hệ giá trị thực và dự đoán của α .........................................71
Hình 4.21. Biểu đồ Ramps.........................................................................................72
xv


Hình 5.1. Mô hình thực của SPIF .............................................................................74
Hình 5.2. Mô hình toán của SPIF ............................................................................74
Hình 5.3. Mô hình phân tích trong Abaqus...............................................................75
Hình 5.4. Biến dạng khi không định nghĩa vùng biến dạng dẻo ...............................75
Hình 5.5. Biến dạng đạt được khi mô phỏng bằng thông số tối ưu ..........................77
Hình 5.6. Vết lồi trên mẫu thực và trên FEM ...........................................................78
Hình 5.7. Vùng lưới bị biến dạng ..............................................................................78
Hình 5.8. So sánh biên dạng CAD, FEM và thực nghiệm ........................................79

xvi


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2-1. Bảng lựa chọn số thí nghiệm theo phương pháp Taguchi .......................35
Bảng 2-2. Bảng ma trận L8 .......................................................................................35
Bảng 3-1. Thông số dây nung Cr-Ni .........................................................................45
Bảng 3-2. Thông số gạch Isolite B5 ..........................................................................46
Bảng 3-3. Thông số cài đặt cho TZN4S ....................................................................49
Bảng 3-4. Thông số PID thu được sau khi tự điều chỉnh ..........................................49
Bảng 3-5. Trình tự vận hành hệ thống gia nhiệt .......................................................50
Bảng 3-6. Giá trị nhiệt độ chi tiết ứng với nhiệt độ lò ..............................................51

Bảng 3-7. Giá trị nhiệt độ lò suy ra từ nhiệt độ chi tiết ............................................52
Bảng 3-8. Giá trị nhiệt độ lò dùng để cài đặt khi không có chất bôi trơn ................52
Bảng 3-9. Giá trị nhiệt đồ lò để cài đặt khi có phủ lớp than chì bôi trơn ................53
Bảng 4-1. Thành phần hợp kim của SUS 304 ...........................................................55
Bảng 4-2. Thuộc tính của SUS 304 theo hệ SI (mm).................................................56
Bảng 4-3. Mức của các yếu tố ...................................................................................61
Bảng 4-4. Ma trận thực nghiệm ................................................................................62
Bảng 4-5. Các mẫu đạt được sau khi chạy thực nghiệm ..........................................65
Bảng 4-6. Giá trị α ứng với z0 = 70mm, R = 80 mm ................................................68
Bảng 4-7. Góc biến dạng tương ứng với các mức của các yếu tố ............................68
Bảng 4-8. Phân tích ANOVA .....................................................................................70
Bảng 4-9. Phần trăm ảnh hưởng của các thông số đến góc biến dạng ....................71
Bảng 4-10. Bộ thông số công nghệ tối ưu .................................................................72
Bảng 5-1. Ứng suất biến dạng trong vùng dẻo theo nhiệt độ của SUS 304 .............75
Bảng 5-2. Giá trị bước thời gian ứng với Vxy............................................................77

xvii


Chƣơng 1

TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC

NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về hƣớng nghiên cứu
Tạo hình kim loại tấm là quá trình gia công chủ yếu trong nhiều lĩnh vực dân
dụng và công nghiệp. Các chi tiết dạng tấm thƣờng dễ dàng đƣợc bắt gặp xung
quanh ta từ các vật dụng nội thất và gia dụng cho đến các loại máy móc thiết bị
trong công nghiệp. Đặc biệt, trong công nghiệp ô tô, nó đƣợc dùng nhiều hơn cả
(Hình 1.1)

Hình 1.1.Một số chi tiết dạng kim loại tấm trên ô tô
Những thập niên gần đây, thế giới đã chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của
khoa học kỹ thuật, công nghệ thông tin –truyền thông làm thay đổi nhiều mặt của
nền kinh thế xã hội.Ý thức của con ngƣời nói chung và ý thức tiêu dùng nói riêng
ngày càng đƣợc nâng cao. Do đó, nhu cầu về các sản phẩm cũng ngày càng khắc
khe và đa dạng hơn. Chiến lƣợc phát triển của các nhà sản xuất cũng tập trung vào
việc thƣờng xuyên cải tiến sản phẩm, thay đổi mẫu mã, phát triển sản phẩm mới
1


trong thời gian nhanh nhất với chi phí thấp nhất.Để làm đƣợc việc đó nhà sản xuất
phải rút ngắn thời gian trong hai khâu quan trọng là thiết kế và chế tạo mẫu thử
nghiệm.
Sự phát triển của các hệ thống thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (CAD)
cho phép rút ngắn thời gian thiết kế một cách đáng kể và có khả năng thiết kế đƣợc
các chi tiết dạng tấm có hình dạng phức tạp.
Các phƣơng pháp gia côngkim loại tấmtruyền thống: uốn, dập vuố t, tạo hình
nổi, nong, tóp, miết… (gọi chung là dập)thì cần phải có khuôn (chày hoặc cối, hoặc
cả chày và cối) và các loại máy chuyên dùng. Mỗi chi tiết có thể trải qua một hoặc
nhiều thao tác dập mới hình thành đƣợc hình dạng của sản phẩm. Số thao tác đƣợc
căn cứ vào một hệ số (gọi là hệ số vuốt) phụ thuộc vào tính chất vật liệu, độ dày,
điều kiện thực hiện thao tác nhƣ bề mặt khuôn, bôi trơn, tốc độ vuốt [1].

Hình 1.2.Trình tự vuốt chi tiết dạng côn [1]
Điều này đồng nghĩa với việc sẽ có một hoặc nhiều khuôn cho một sản phẩm
dập (Hình 1.2).Cho nên, phƣơng pháp dập tốn kém (Hình 1.3) và mất nhiều thời
gian nếu áp dụng cho việc chế tạo mẫu.Dập chỉ đƣợc áp dụng trong sản xuất hàng
loạt và hàng khối vì chỉ có gia công với số lƣợng lớn mới giảm đƣợc giá thành sản
2

phẩm. Mặt khác, với những tấm làm bằng các hợp kim độ cứng cao (hợp kim nhôm,
hợp kim titan, hợp kim magiê,…) thì dập hầu nhƣ không làm đƣợc.

Hình 1.3. Cấu tạo loại khuôn cho một thao tác vuốt[1]
1.2. Giới thiệu về công nghệ tạo hình gia tăng (Incremental Sheet Forming ISF)
1.2.1. Mô tả
ISFlà kỹ thuật tạo hình không khuôn cho vật liệu tấm. ISF sử dụng một dụng
cụ đầu tròn chạy theo một quỹ đạo xác định đƣợc điều khiển bằng chƣơng trình số
làm biến dạng tấm kim loại đƣợc kẹp chặt trên bàn máy hoặc đồ gá để tạo ra hình
dáng sản phẩm mong muốn.Vật liệu tấm có thể là kim loại hoặc polymer. Dụng cụ
đƣợc gắn trên máy điều khiển số, có thể là máy ISF chuyên dùng hoặc máy CNC ba
trục hoặc cánh tay robot. Từng lớp vật liệutheo phƣơng ngang sẽ biến dạng dẻo cục
bộ liên tục trong suốt quá trình gia công để hình thành nên hình dạng cuối cùng của
sản phẩm [2]. Bề dày của mỗi lớp phụ thuộc vào bƣớc tiến theo phƣơng thẳng đứng
∆z của quỹ đạo dụng cụ. Các bƣớc trong quy trình ISF đƣợc mô tả trong (Hình 1.4):
1)Phôi đƣợc kẹp chặt trên đồ gá. 2)Dụng cụ đi xuống và tiếp xúc với phôi. 3)Dụng
cụ chuyển động theo quỹ đạo để tạo hình lớp đầu tiên. 4)Dụng cụ lặp lại chuyển
động để tạo hình các lớp tiếp theo cho đến hết quỹ đạo.

3


Hình 1.4. Nguyên lí ISF [2]
Với kỹ thuật này, một chi tiết kim loại tấm chỉ đƣợc gia công trong thời gian
ngắn từ mô hình CAD mà không cần qua các công đoạn làm khuôn và sửa khuôn
vốn phức tạp và đắt tiền (Hình 1.3)
1.2.2. Các bƣớc trong quy trình gia công bằng phƣơng pháp ISF

Mô hình
3D - CAD

Gá đặt và đổ
chƣơng trình

Gia công

Tạo quỹ đạo dụng cụ và
xác lập thông số công
nghệ- CAM

Chuẩn bị phôi, đồ gá

Kiểm tra

Hình 1.5. Quy trình ISF
4

Sản phẩm


Quy trình ISF đƣợc mô tả nhƣ(Hình 1.5).Mô hình 3D của sản phẩm kim loại
tấm đƣợc thiết kế trên các phần mềm CAD (AutoCad, Creo, Solidwork hoặc
Catia,…), hoặc đƣợc xuất ra từ các phần mềm 3D khác theo các chuẩn IGES, STEP.
Từ dữ liệu 3D CAD này, thông qua các ứng dụng CAM (Creo hay Catia, …), quỹ
đạo của dụng cụ và các thông số công nghệ (vận tốc vòng của dụng cụ, bƣớc tiến,
chiều sâu,…) đƣợc thiết lập. Thông tin về quỹ đạo dụng cụ và thông số công nghệ
chứa trong tập tin mà máy CNC đọc đƣợc. Quá trình gá đặt phôi lên máy CNC đƣợc
thực hiện thông qua đồ gá chuyên dùng, đồng thời tiến hành đổ chƣơng trình vào

máy và gia công.
Việc chuẩn bị gia công trong phƣơng pháp ISF mất ít thời gian và linh hoạtvì
hầu hết các quá trình hiệu chỉnh và thay đổi thiết kế đều đƣợc thực hiện trên phần
mềm.Mặc dù năng suất không cao bằng phƣơng pháp dập nhƣng ISF rất phù hợp
trong việc tạo mẫu sản phẩm, trong sản xuất đơn chiếc và sửa chữa.Đặc biệt, ISF có
thể đƣợc ứng dụng trong y học để tạo ra các mãnh xƣơng nhân tạo bằng thép không
gỉ vốn cứng, khó gia công và số lƣợng rất hạn chế.Trong trƣờng hợp này, ISF đƣợc
thực hiện kết hợp với gia nhiệt cho chi tiết và công nghệ Scan 3D.
1.2.3. Phân loại ISF
Phƣơng pháp ISFđƣợc phân biệt thành hai hình thức khác nhau là tạo hình
gia tăng đơn điểm (Single Point Incremetal Forming – SPIF) và tạo hình gia tăng
hai điểm (Two Point Incremental Forming – TPIF)
1.2.3.1. SPIF
SPIF đƣợc mô tả trên(Hình 1.6). Đây là phƣơng pháp tạo hình gia tăng dùng
dụng cụ tác dụng lực lên một mặt của tấm vật liệu đƣợc kẹp chặt xung quanh còn
mặt kia để biến dạng tự do. Dụng cụ vừa quay quanh trục của nó vừa tịnh tiến theo
quỹ đạo đƣợc lập trình sẵn. Trong quá trình tạo hình, dụng cụ và tấm vật liệu chỉ
tiếp xúc với nhau theo một điểm và có chất bôi trơn để giảm ma sát. Phƣơng pháp
này không cần dùng khuôn có hình dáng của sản phẩm mà chỉ cần tấm đỡ dƣới có
hình dáng là chu vi của sản phẩm và tấm kẹp trên để cố định phôi tấm cần tạo hình.
5