Nghiên cứu công nghệ dập nổi để chế tạo chi tiết mỹ nghệ từ hợp kim đồng

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................. 3
CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................... 5
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ SẢN PHẨM ............ 6
1.1 Phương pháp tạo hình bằng gia công áp lực ......................................... 6
1.1.1 Phương pháp dập tấm [2] ............................................................... 6
1.1.2 Phương pháp dập khối [1] .............................................................. 8
1.2. Vài nét về sản phẩm của công nghệ dập nổi [7, 12] .......................... 10
1.2.1 Sản phẩm khối ............................................................................. 11
1.2.2 Các loại sản phẩm tấm ................................................................. 16
1.3. Công nghệ tạo hình bề mặt [12] ........................................................ 22
1.3.1 Công nghệ cán tạo hình bề mặt trên trục lăn ................................ 22
1.3.2 Công nghệ dập nổi bằng khuôn .................................................... 25
1.3.3 Công nghệ Đúc ............................................................................ 28
1.3.4 Các phương pháp thủ công .......................................................... 30
1.3.5 Dập nổi các chi tiết micro [7] ...................................................... 32
1.4 Các phương pháp gia công khuôn ...................................................... 34
CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DẬP NỔI ................................ 40
2.1 Sơ đồ công nghệ dập nổi .................................................................... 41
2.2 Lực dập nổi ........................................................................................ 43
2.3 Khuôn dập nổi ................................................................................... 46
2.3.1 Vật liệu làm khuôn....................................................................... 46
2.3.2 Kết cấu khuôn .............................................................................. 47
CHƢƠNG III: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG SỐ TRONG
CÔNG NGHỆ DẬP NỔI .......................................................................... 49
3.1 Vai trò của mô phỏng số [3] ............................................................... 49
3.2 Giới thiệu các phương pháp mô phỏng .............................................. 50
3.2.1. Mô phỏng vật lý .......................................................................... 51
2.1.2. Mô phỏng số và “công nghệ ảo” ................................................. 51
1

3.3 Ứng dụng mô phỏng số trong Gia công áp lực ................................... 52
3.4 Các bước tiến hành mô phỏng số bài toán tạo hình ............................ 54
3.5 Ứng dụng phần mềm Dynaform trong dập tạo hình [3] ...................... 55
3.6 Lựa chọn chi tiết dập nổi.................................................................... 62
CHƢƠNG IV: MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH DẬP NỔI CHI TIẾT MỸ
NGHỆ ........................................................................................................ 65
4.1 Thiết lập bài toán dập bề nổi mặt ....................................................... 65
4.1.1. Thiết lập mô hình hình học ......................................................... 66
4.1.2. Thiết lập mô hình vật liệu ........................................................... 70
4.3. Thiết lập mô hình điều kiện biên ...................................................... 72
4.3 Giải bài toán ...................................................................................... 73
4.4 Phân tích kết quả mô phỏng ............................................................... 73
KẾT LUẬN ............................................................................................... 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 82

2


LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay ngày càng nhiều công nghệ chế tạo các sản phẩm cơ khí mới,
tiên tiến được nghiên cứu, ứng dụng để tạo ra sản phẩm trong nhiều lĩnh vực
công nghiệp, y tế, quốc phòng, dân dụng, mỹ thuật với năng suất, chất lượng
cao hơn đồng thời giá thành hạ do tiết kiệm được chi phí sản xuất. Gia công
áp lực (tạo hình sản phẩm dựa trên biến dạng dẻo của vật liệu) là một trong
những ngành quan trọng của lĩnh vực sản xuất cơ khí đã có từ rất lâu đời và
không ngừng phát triển, bởi công nghệ này cho năng suất cao, chất lượng sản
phẩm tốt, tiết kiệm nguyên vật liệu, sản phẩm đa dạng phong phú và khả
năng thay đổi kiểu loại dễ dàng. Với những ưu việt so với các công nghệ

khác, tạo hình bằng biến dạng dần khẳng định được tầm quan trọng của
ngành đi đầu trong nền công nghiệp. Ngành tạo hình biến dạng được coi là
ngành trung tâm, then chốt phục vụ đắc lực, tạo nền tảng phát triển cho các
ngành khác như: Công nghệ chế tạo máy, hóa dầu, quốc phòng, y tế…và đặc
biệt là công nghiệp điện tử.
Trong nhiều công trình nghiên cứu về công nghệ gia công áp lực,
nhiều ứng dụng cụ thể của công nghệ này trong sản xuất cơ khí có thể thấy
sản phẩm gia công áp lực đa dạng, từ những chi tiết nồi, thìa, dĩa phục vụ gia
dụng, đến các chi tiết bánh răng, trục, khớp nối phục vụ công nghiệp ô tô, xe
máy, đến các chi tiết dạng vỏ cỡ lớn trong công nghiệp máy bay hay tàu thủy,
những chi tiết rỗng có hình dạng phức tạp sử dụng trong y tế, hệ thống cấp
nhiên liệu hay dầu khí, những chi tiết có kích thước một vài milimet xuống
đến micromet phục vụ cho cơ khí chính xác và công nghiệp điện tử. Nhưng
một trong những sản phẩm không thuộc sản phẩm công nghiệp đó là đồ trang
trí, mỹ thuật cũng được coi là sản phẩm đặc trưng của công nghệ gia công áp
lực. Trên thế giới, việc tạo ra những họa tiết trang trí trên bề mặt của chi tiết
(như đồng tiền) sử dụng công nghệ gia công áp lực rất phổ biến và hữu hiệu.
Ở Việt Nam, nhiều làng nghề thường ứng dụng công nghệ tạo hình nổi bề
3


mặt để dập các họa tiết trang trí trên các sản phẩm tấm và khối. Mặc dù nhu
cầu về tạo hình nổi mặt kim loại và hợp kim phục vụ mỹ thuật và trang trí
đang ngày càng gia tăng, nhưng việc nghiên cứu bài bản về công nghệ tạo
hình nổi mặt vẫn chưa được đề cập nhiều và ít có những công trình nghiên
cứu về hướng này.
Sau khí nghiên cứu khảo sát nhu cầu tại nhiều cơ sở sản xuất trong
nước, tôi quyết định lựa chọn hướng nghiên cứu tạo hình nổi mặt với đề tài
Nghiên cứu công nghệ dập nổi để chế tạo chi tiết mỹ nghệ từ hợp kim đồng,
nhằm hiểu rõ và ứng dụng một phương pháp nghiên cứu mới về công nghệ

tạo hình nổi tấm nhờ mô phỏng số.
Trong khuôn khổ đề tài, từ việc lựa chọn sản phẩm đến khâu tính toán
thiết kế công nghệ, khuôn và hay lựa chọn thiết bị chế tạo sản phẩm mới chỉ
dừng lại ở khâu thiết kế mô hình. Mục tiêu chính của Luận văn là nghiên cứu
ứng dụng phương pháp mô phỏng số để tạo hình các chi tiết mỹ thuật từ vật
liệu tấm. Với việc nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số sẽ cho phép người kỹ
sư thiết kế nhanh chóng quyết định được phương án công nghệ, thiết kế
khuôn và lựa chọn thiết bị thực hiện sao cho tối ưu nhất.
Luận văn được trình bày trong 4 chương. Chương 1 là tổng quan về
công nghệ sản phẩm, trình bày các dạng sản phẩm điển hình của dập nổi mặt
và các công nghệ hiện tại đang được sử dụng trên thế giới và Việt Nam.
Chương 2 trình bày những kiến thức cơ bản nhất về tính toán các thông số
công nghệ dập nổi và khuôn dập nổi. Chương 3 nghiên cứu ứng dụng phần
mềm mô phỏng số để tính toán bài toán tạo hình nổi mặt. Chương 4 trình bày
các bước thực hiện và kết quả nghiên cứu về tạo hình nổi chữ PHÚC. Cuối
cùng là một vài kết luận quan trọng về tạo hình nổi mặt chi tiết tấm có ứng
dụng mô phỏng số trong thiết kế công nghệ.

4


CÁC TỪ VIẾT TẮT
Các phần mềm mô phỏng: AUTOFORM, ITAS, PAMSTAMP,
SHEET, DYNAFORM, DEFORM, MARC
Ký hiệu

Ý nghĩa

P

Lực dập nổi

qk

Lực riêng để dập nổi

N/mm2

Diện tích hình chiếu cần dập nổi

Mm2

Fk

Đơn vị

trên mặt phẳng vuông góc
µ

Hệ số ma sát

5


CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ SẢN PHẨM
1.1 Phƣơng pháp tạo hình bằng gia công áp lực
Công nghệ Gia công áp lực hay còn gọi là công nghệ tạo hình vật liệu
kim loại bằng áp lực là phương pháp gia công tạo hình vật liệu dựa trên sự
biến dạng dẻo. Vật liệu kim loại luôn thay đổi hình dạng trong suốt quá trình
gia công để đạt được hình dáng, kích thước cuối cùng theo mong muốn,

trong đó không có sự phá hủy liên kết trong vật liệu và bảo toàn thể tích của
mình.
Ở các nước công nghiệp phát triển, Gia công áp lực chiếm một vị trí quan
trọng trong ngành cơ khí chế tạo và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như
chế tạo ôtô, xe máy, máy công cụ, sản phẩm phục vụ đời sống... Đối với
công nghiệp sản xuất ô tô thì Gia công áp lực có tỷ trọng chi tiết sản phẩm
lên đến 35% tổng chi tiết của một xe ô tô.
Công nghệ gia công áp lực được chi thành nhiều phương pháp công nghệ
như dập tấm, dập khối, dập thủ tính, dập Micro, Nano… Trong đó 2 phương
pháp sử dụng khá phổ biến trong sản xuất đó là dập tấm và dập khối.
1.1.1 Phƣơng pháp dập tấm [2]
Hiện nay dập tấm là một trong những phương pháp gia công kim loại
tiên tiến nhất, nó được áp dụng rộng rãi trong hầu hết các nhà máy chuyên
sản xuất dập nguội cũng như các nhà máy chế tạo và sửa chữa cơ khí khác. Ở
các nước có nền công nghiệp tiên tiến, quá trình sản xuất dập tấm được tự
động hoá và cơ khí hoá với mức độ cao, nhiều loại thiết bị mới có công suất
lớn và có những tính năng kỹ thuật đặc biệt đã được thiết kế và chế tạo.
Công nghệ dập tấm sử dụng chủ yếu để tạo hình các chi tiết có hình dạng
phức tạp từ vật liệu tấm.
Mặt hàng dập tấm rất phong phú và đa dạng. Nó không những bao gồm
những sản phẩm phục vụ nhu cầu đời sống hàng ngày của nhân dân mà còn

6


được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như chế tạo máy, kỹ
thuật điện, chế tạo ô tô, máy bay, chế tạo thiết bị dụng cụ máy chính xác vv..
Sản xuất dập tấm được áp dụng rộng rãi như vậy vì nó có nhiều ưu việt
so với các phương pháp gia công kim loại khác.
Về mặt kỹ thuật: Bằng phương pháp dập tấm có thể thực hiện được

những công việc phức tạp bằng những động tác đơn giản của thiết bị, có thể
chế tạo được những chi tiết hết sức phức tạp mà đôi khi những phương pháp
gia công kim loại khác không thể hoặc chế tạo khó khăn. Độ chính xác của
chi tiết dập tấm tương đối cao, bảo đảm lắp lẫn tốt, không cần phải gia công
lại bằng cắt gọt. Kết cấu của chi tiết dập tấm cứng vững bền nhẹ, mức độ hao
phí vật liệu không lớn.
Về mặt kinh tế: Sử dụng phương pháp dập tấm tiết kiệm được nhiều
nguyên vật liệu, có điều kiện thuận tiện để cơ khí hóa và tự động hoá quá
trình sản xuất do đó năng suất lao động cao. Quá trình thao tác trên máy đơn
giản không cần thợ bậc cao, lại thường sản xuất hàng loạt lớn do đó giá
thành hạ.
Nhiều chi tiết vỏ mỏng, có kích thước lớn, có hình dạng phức tạp chỉ có
thể sản xuất hiệu quả nhờ công nghệ dập tấm.
Dưới đây trình bày một số hình ảnh về sản phẩm dập tấm:

Hình 1.1. Vỏ ô tô được chế tạo bằng công nghệ dập tấm.
7


Hình 1.2. Các chi tiết gia dụng.
1.1.2 Phƣơng pháp dập khối [1]
Dập khối (còn gọi là dập thể tích) là phương pháp gia công áp lực
được sử dụng để tạo hình các chi tiết dạng khối (chi tiết có kích thước theo 3
phương không chênh lệch nhau quá nhiều). Phương pháp này được ứng dụng
rộng rãi trong các lĩnh vực chế tạo máy và công nghiệp hàng tiêu dùng, đặc
biệt là trong công nghiệp chế tạo ô tô, xe máy, xe lửa, máy công cụ, máy
nông nghiệp...
Dập khối có thể được tiến hành trên khuôn hở hay khuôn kín.
Dập khối có những ưu điểm mà các phương pháp gia công khác không
có được như:

+ Thay đổi cấu trúc tinh thể theo hướng có lợi (giảm kích thước hạt)
và có thể tạo ra hướng thớ kim loại phù hợp do đó làm cho độ bền, độ
cứng của chi tiết tăng lên.
+ Quá trình dập khối tiết kiệm được nhiều kim loại, nhất là trong sản
xuất hàng loạt lớn và hàng khối. Do đó hạ giá thành sản phẩm.
+ Do độ bền độ cứng được tăng lên nên kích thước chi tiết giảm đi,
chi tiết sẽ gọn nhẹ hơn.
+ Cho năng suất cao, thao tác đơn giản không cần thợ bậc cao và có
khả năng chế tạo rất linh hoạt từ chi tiết nhỏ tới những chi tiết rất lớn.
8


Tuy nhiên gia công bằng phương pháp dập khối cũng có các nhược điểm sau:
+ Không dập được những chi tiết phức tạp, chi tiết quá lớn như phương
pháp đúc.
+ Hầu hết quá trình tạo hình được thực hiện ở trạng thái nóng nên quá
trình thao tác và tự động hóa phức tạp hơn.
+ Độ chính xác, độ bóng thấp hơn so với gia công cơ. Tuy nhiên, hiện
nay đã có những phương pháp dập tiên tiến, có thể dập ra những chi tiết
có độ bóng, độ chính xác cao, do đó đối với một số mặt hàng gia công áp
lực có phần vượt gia công cơ và người ta có khuynh hướng dùng phương
pháp gia công kim loại bằng áp lực để tránh phải gia công cơ.
Đặc biệt là dập khối trên máy ép trục khuỷu dập nóng với các ưu điểm
của nó như máy làm việc êm, thân máy và cụm trục khuỷu thanh truyền có
độ cứng vững tốt, dẫn hướng êm, chính xác, tốc độ của máy nhanh, có thể
đẩy phôi tự động. Các đặc điểm này sẽ cho sản phẩm có kích thước chính
xác, góc nghiêng ở thành vật rèn nhỏ, lượng dư gia công cơ nguyên công tiếp
theo ít, mức độ biến hình trên các tiết diện của vật rèn tương đối đều dẫn đến
cơ lý tính của vật rèn cũng đều trong hàng loạt vật rèn, độ lệch khuôn ít, phế
phẩm ít nên tiết kiệm được vật liệu, do hành trình cố định nên chiều cao vật

rèn là rất chính xác. Hơn nữa dập thể tích trên máy ép trục khuỷu còn cho
năng suất gấp 23 lần so với khi dập trên máy búa.
Sản phẩm của dập khối rất phong phú và đa dạng, chúng có hình dạng,
kích cỡ và vật liệu khác nhau. Khối lượng của vật dập có thể từ vài chục gam
đến một vài tấn. Ở các nước tiên tiến khối lượng các chi tiết qua dập thể tích
chiếm trên 50% tổng số khối lượng sản phẩm công nghiệp chế tạo máy nói
chung.
Một số hình ảnh về sản phẩm công nghệ dập khối:

9


Hình 1.3. Các sản phẩm dập khối điển hình
Ở Việt Nam, trong các sản phẩm gia công áp lực thì tỷ lệ sản phẩm dập tấm
chiếm trên 70%, tỷ lệ sản phẩm dập khối chỉ chiếm khoảng 30%. Lý do chủ
yếu là thiết bị dập khối thường phức tạp hơn nhiều và dập khối thường được
thực hiện ở trạng thái nóng. Chủ yếu các doanh nghiệp lớn, liên doanh mới
sử dụng công nghệ dập khối với các nguyên công hiện đại như dập trong
khôn kín, dập chính xác, dập nửa nóng hay dập những chi tiết lớn. Các
doanh nghiệp như, doanh nghiệp tư nhân vẫn sử dụng dập tấm là chủ yếu.
Sản phẩm điển hình là các chi tiết điện gia dụng, dân dụng…
1.2. Vài nét về sản phẩm của công nghệ dập nổi [7, 12]
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

10


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.
Việc tạo hình nổi bề mặt có những nét đặc thù bởi nếu quan niệm rằng
nguyên công này rất dễ thực hiện và không cần nghiên cứu thì thực tế việc
tính toán thiết kế nguyên công này khá khó khăn. Nhiều trường hợp biến
dạng vật liệu ít, nhưng nhiều trường hợp biến dạng rất lớn gây rách sản phẩm.
Biến dạng ở những vị trí khác nhau là rất khác nhau. Việc tạo hình họa tiết
thường khó khăn bởi làm khuôn rất khó và khó đạt độ chính xác cao.
1.2.1 Sản phẩm khối
Trong đời sống hàng ngày có rất nhiều những sản phẩm khối có ứng
dụng công nghệ biến dạng bề mặt. Những sản phẩm cụ thể đó là: các loại
tiền xu,tiền vàng, các loại huy chương, huy hiệu, các bức ảnh nghệ thuật và
logo...
- Các loại tiền xu và tiền vàng. Nhìn các loại đồng tiền vàng, đồng,
nhôm… có thể thấy được công nghệ tạo hình nổi mặt chi tiết khối có từ
rất lâu đời. Ban đầu các họa tiết dập nổi thường đơn giản nhưng nay đã
rất phức tạp, họa tiết có kích cỡ rất nhỏ (đến cỡ micromet) và đòi hỏi độ
chính xác rất cao.

11


Hình 1.4. Các loại tiền xu

12


Hình 1.5 Các loại tiền vàng Châu Âu

Hình 1.6: Tiền vàng cổ ở Châu Á

13


Hình 1.7. In hình, chữ nổi trên thỏi vàng
- Các loại logo và huy hiệu của các hãng sản xuất hoặc các doanh nghiệp:
Mỗi một doanh nghiệp đều có một logo riêng để tạo thương hiệu.

Hình 1.8: Logo và huy hiệu
- Các loại sản phẩm trang trí dạng băng (được tạo hình trên trục lăn):
14


Hình 1.9: Sản phẩm trang trí dạng băng, dải
- 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 1.10: Chi tiết điện tử

15


1.2.2 Các loại sản phẩm tấm
Bên cạnh các sản phẩm khối thì các sản phẩm tấm cũng rất nhiều và
được sử dụng ở mọi lĩnh vực từ gia dụng đến công nghiệp và trang trí…Sản
phẩm dạng tấm là các sản phẩm được tạo hình nổi trên bề mặt của tấm.
- Các loại sản phẩm trang trí:

Hình 1.11. Sản phẩm trang trí
- Các loại sản phẩm dạng bức tranh nghệ thuật:

16


17


18


19


20


Hình 1.12: Các sản phẩm trang trí và bức tranh nghệ thuật

21


Nhìn vào các bức tranh dập nổi dạng tấm có thể thấy rằng công nghệ
này hoàn toàn không đơn giản bởi cần có khuôn tạo hình khá phức tạp, mức
độ biên dạng cục bộ của các họa tiết đôi khi rất lớn và có thể gây rách cục
bộ. Mặc dù là dập tấm nhưng đôi khi vẫn phải gia nhiệt cục bộ ở những vị
trí biến dạng quá lớn để tránh rách do biến mỏng tấm.

1.3. Công nghệ tạo hình bề mặt [12]
1.3.1 Công nghệ cán tạo hình bề mặt trên trục lăn
Công nghệ này sử dụng khi cần tạo hình bề mặt của một băng hay dải
kim loại với các họa tiết trên băng mang tính lặp lại. Bản chất của việc biến

dạng bề mặt kim loại trên trục lăn chính là quá trình cán nổi hình trên bề mặt
kim loại: là phương pháp làm biến dạng kim loại giữa hai trục cán quay
ngược chiều nhau có khe hở nhỏ hơn chiều dày của phôi.

Hình 1.13. Nguyên lý biến dạng bề mặt trên trục lăn
Quá trình có thể là cán nguội hoặc cán nóng tùy thuộc vào yêu cầu sản
phẩm hoặc loại vật liệu có thể là tấm hoặc khối. Tuy nhiên, đối với cán nóng

22


thì sản phẩm chủ yếu là dạng thanh để dễ thực hiện quá trình nung phôi. Sản
phẩm sau khi cán hình trên trục cán có các đặc điểm sau:
- Cán không những làm thay đổi hình dạng và kích thước phôi mà còn
nâng cao chất lượng kim loại, phá hủy tổ chức đúc, tạo nên tổ chức mới có
độ bền cao và hạt nhỏ mịn.
- Năng suất cao, dễ cơ khí hoá và tự động hoá.
- Sản phẩm cán nguội có độ nhẵn và độ chính xác cao hơn nhưng yêu cầu
lực cán lớn và làm khuôn chóng mòn.
 Các loại trục cán:
- Trục cán tạo hoa văn trên thanh thép:

Hình 1.14: Trục cán hoa văn
- Để tạo ra sản phẩm khác nhau, ta chỉ việc thay đổi trục cán trên máy cán
thì sẽ có sản phẩm tương ứng.

23


Hình 1.15: Các loại trục cán hoa văn

 Vật liệu sử dụng làm trục cán: Thông thường ta có thể làm vật liệu thép
hợp kim. Trong nhiều trường hợp người ta có thể mạ lên bề mặt trục một
lớp Cr để tăng khả năng chịu mài mòn. Khi tạo hình vật liệu mềm như
kẽm, vàng, bạc người ta có thể sử dụng trục cán bằng đồng. Trong quá
trình tạo hình hoàn toàn có thể sử dụng chất bôi trơn để giảm ma sát và
nâng cao tuổi thọ của trục cán. Chất bôi trơn có thể là dầu, hay dạng bột
nhão có pha bột graphit.
 Thiết bị cán: Thường sử dụng là các loại máy cán chuyên dụng chỉ để tạo
hình nổi mặt. Kết cấu trục cho phép thay quả cán nhanh để đa dạng hóa
sản phẩm.

24


Hình 1.16: Thiết bị cán
1.3.2 Công nghệ dập nổi bằng khuôn
Khi sản phẩm được tạo ra từ phôi chiếc, người ta thường sử dụng dập
nổi bằng khuôn. Dập nổi làm thay đổi hình dạng bề mặt của sản phẩm được
thực hiện nhờ các phần lồi và lõm tương ứng của các bộ phận của khuôn. Ta
có nguyên lý dập nổi như sau:

25