Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến khả năng tạo hình của một số vật liệu kim loại tấm khi gia công bằng phương pháp spi

CHƯƠNG 1
1.1

MỞ ĐẦU

Giới thiệu công nghệ biến dạng không khuôn SPIF
Năm 1967, Edward Leszak đã đưa ra giải pháp tạo hình tấm bằng công

nghệ biến dạng không khuôn (IDF: Incremental Dieless Forming hay ISF
Incremental Sheet Forming) có thể tạo hình dáng sản phẩm tấm bất kỳ, phù hợp
với sản xuất nhỏ, đơn chiếc. Từ 1990, công nghệ mới này bắt đầu được ứng
dụng trong sản suất.
Phương pháp tạo hình tấm bằng biến dạng cục bộ liên tục (Incremental
sheet forming - ISF), có thể tạo ra các hình dạng sản phẩm bất kỳ không đối
xứng mà không dùng khuôn.ISF được phân thành hai loại khác nhau:
Single Point Incremental Forming (SPIF): dụng cụ tác dụng trên một
mặt của tấm còn mặt kia biến dạng tự do.
Two Point Incremental Forming (TPIF): lực tạo hình tác dụng trên hai
mặt tấm, phải dùng thêm dưỡng gá cố định bên dưới bàn máy. Luận án chỉ tập
trung nghiên cứu phương pháp SPIF do phương pháp này đại diện cho công
nghệ ISF: không cần dùng khuôn và có đồ gá đơn giản.
1.2

Các thông số ảnh hưởng đến khả năng tạo hình trong SPIF
Có nhiều thông số ảnh hưởng đến khả năng tạo hình SPIF, có thể kể:
1- Module đàn hồi ES, hệ số Poisson S của vật liệu tấm;
2- Bề dày tấm ttrước khi gia công;
3- Module đàn hồi EP, hệ số Poisson p của vật liệu dụng cụ tạo hình;
4- Đường kính dụng cụ tạo hình D;
5- Số vòng quay n của trục chính mang dụng cụ tạo hình;
6- Vận tốc chạy dụng cụ Vxy trong mặt phẳng xy;

7- Lượng tiến dụng cụ xuống VZ theo chiều sâu;

1


8- Hệ số ma sát f giữa tấm và dụng cụ tạo hình.
9. Nhiệt độ tạo hình T
Loại trừ các yếu tố kém ảnh hưởng còn lại 4 thông số: Vz, Vxy, D, n có ảnh
hưởng nhiều nhất đến khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt của sản phẩm
tấm nên được chọn làm thông số đầu vào.
1.3

Mục tiêu nghiên cứu
 Thiết lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với khả năng tạo

hình, lượng phục hồi, chất lượng bề mặt và năng suất tạo hình các nhóm vật
liệu tiêu biểu (nhôm, thép thường và thép không gỉ) dựa trên mô phỏng số và
thực nghiệm.
 Thiết lập phương trình hồi quy, tối ưu hóa các thông số công nghệ theo
hàm mục tiêu là các thông số đầu ra mong muốn và xây dựng các công cụ tra
cứu (phần mềm, biểu bảng) chế độ tạo hình SPIF theo các thông số đầu ra
mong muốn để sử dụng trong thực tiễn.
1.4

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Khả năng tạo hình của các nhóm vật liệu tiêu biểu.
 Giới hạn phạm vi nghiên cứu: đầu dụng cụ hình cầu, vật liệu tấm được

kéo theo 3 phương để lấy giá trị trung bình (2.6 [62]), bề dầy tấm xem như
đồng đều. Hệ số ma sát được xem như đồng đều và được bôi trơn tốt do dụng

cụ luôn ở vị trí thấp nhất nơi tồn đọng chất bôi trơn.
1.5

Phương pháp nghiên cứu
 Phần mềm ABAQUS được sử dụng để thực hiện mô phỏng số quá trình

tạo hình SPIF, xác định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ với khả năng
tạo hình và lượng phục hồi.
 Thực nghiệm gia công mẫu trên máy SPIF chuyên dùng để kiểm chứng
các kết quả mô phỏng số, đồng thời xác định mối quan hệ giữa các thông số
công nghệ với độ nhấp nhô bề mặt và năng suất tạo hình.

2


 Quy hoạch các kết quả thực nghiệm bằng tính toán và bằng phần mềm
Minitab để thiết lập phương trình hồi quy, tối ưu hóa các thông số công nghệ
theo hàm mục tiêu là các thông số đầu ra mong muốn, từ đó xây dựng các công
cụ (phần mềm, sổ tay) tra cứu chế độ gia công tạo hình SPIF để ứng dụng trong
thực tế.
1.6

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
 Thiết lập mối quan hệ giữa các thông số công nghệ (Vz, Vxy, D, n) với

khả năng tạo hình, lượng phục hồi, chất lượng bề mặt và năng suất tạo hình các
nhóm vật liệu tiêu biểu (nhôm, thép thường và thép không gỉ) dựa trên mô
phỏng số và thực nghiệm, từ đó xác định các giá trị bù trừ sai số, phục vụ cho
thực tế tạo hình bằng SPIF.
 Tối ưu hóa các thông số công nghệ theo hàm mục tiêu là các thông số

đầu ra mong muốn, từ đó xây dựng các công cụ tra cứu (phần mềm, biểu bảng)
chế độ tạo hình SPIF theo các thông số đầu ra mong muốn để sử dụng trong
thực tiễn.

3


CHƯƠNG 2
2.1

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SPIF BẰNG
PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

Mục đích và yêu cầu
Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định mối quan hệ giữa các thông số

đầu vào của công nghệ SPIF với các thông số mục tiêu cần khảo sát như khả
năng tạo hình, độ chính xác tạo hình, độ nhấp nhô bề mặt và năng suất tạo hình
đối với các vật liệu tiêu biểu (nhôm, thép thường và thép không gỉ). Ngoài ra
nghiên cứu thực nghiệm còn được kiểm chứng với các kết quả mô phỏng số về
khả năng tạo hình và độ chính xác tạo hình được thực hiện trong chương sau.
2.2

Nghiên cứu thực nghiệm, thiết lập biểu đồ xác định khả năng tạo
hình

2.2.1

Các thông số mục tiêu cần khảo sát:

Thông qua mục tiêu và yêu cầu của luận án, chọn được 4 thông số mục
tiêu là khả năng tạo hình, độ chính xác tạo hình, độ nhấp nhô bề mặt và năng
suất tạo hình:
- Góc biến dạng lớn nhất αmax (độ)
- Lượng phục hồi theo hai phương hướng kính ΔD và độ sâu ΔH (mm)
- Độ nhấp nhô Rz bề mặt (m)
- Thời gian gia công mẫu Tg (phút)
2.2.2

Các thông số ảnh hưởng:

Sau khi loại bỏ bớt một số thông số ảnh hưởng ít bằng thực nghiệm đơn
thông số, còn lại 4 thông số ảnh hưởng sau đây:
- Bước tiến dụng cụ z (mm)
- Đường kính dụng cụ tạo hình D (mm)
- Vận tốc tiến dụng cụ Vxy (mm/ph)
- Số vòng quay trục chính n (vòng/phút)

4


2.2.3

Chọn phương pháp qui hoạch thực nghiệm

Do số thông số ảnh hưởng là k=4, trước tiên chọn qui hoạch thực nghiệm
tuyến tính từng phần với 2 mức giá trị để giảm số lần thực nghiệm, nếu kết quả
không phù hợp sẽ chuyển sang thực nghiệm toàn phần hoặc kết hợp qui hoạch
phi tuyến. Số mẫu là 2k-1=24-1=8. Số lần lặp được tính toán và chọn là 3, do
đó số mẫu cho một loại vật liệu là 8x3=24 mẫu.

2.2.4

Chọn mức và mã hóa các thông số ảnh hưởng

Bảng 2.1 Bảng chọn mức và mã hóa thông số ảnh hưởng của 3 loại vật liệu
Nhôm A 1050-H14, dầy t=1mm
Mức giá trị

z (mm)

D (mm)

Vxy(mm/ phút)

n(vòng/phút)

Min

0.2

5

800

400

Max

1

10

3000

2500

X0=(Max+min)/2

0,6

7,5

1900

1450

∆Xi

0,4

2,5

1100

1040

xi

(z-0,6)/0,4

(D-7,5)/2,5

(Vxy-1900)/1100

(n-1450)/1040

Thép SS330, dày t=0,6mm
Mức giá trị

z (mm)

D (mm)

Vxy(mm/ hút)

n(vòng/ phút)

Min

0.2

5

800

400

Max

1

10

3000

2000

X0=(Max+min)/2

0,6

7,5

1900

1200

∆Xi

0,4

2,5

1100

800

Biến mã hóa xi

(z-0,6)/0,4

(D-7,5)/2,5

(Vxy-1900)/1100

(n-1200)/800

Thép không gỉ SUS304, dầy t=0,4mm
Mức giá trị

z (mm)

D (mm)

Vxy(mm/ phút)

(vòng/ phút)

Xi

X1

X2

X3

X4

Min

0.2

5

800

400

Max

1

10

3000

800

0

X =(Max+min)/2

0,6

7,5

1900

600

∆Xi

0,4

2,5

1100

200

xi

(z-0,6)/0,4

(D-7,5)/2,5

(Vxy-1900)/1100

(n-600)/200

5


Bảng 2.2 Chế độ tạo hình trong thực nghiệm của 3 loại vật liệu
Thép không gỉ SUS304

Nhôm A 1050-H14

Thứ
tự

Bước
xuống
dụng
cụ Vz
(mm)

Đường
kính
dụng
cụ D
(mm)

Tốc độ
tiến dụng
cụ Vxy
(mm/phút)

Tốc độ
quay trục
chính n
(vòng/phút)

Bước
xuống
dụng
cụ Vz
(mm)

Đường

kính
dụng
cụ D
(mm)

Tốc độ
tiến dụng
cụ Vxy
(mm/phút)

Tốc độ
quay trục
chính n
(vòng/phút)

1

0.2

10

800

2500

0.2

10

800

800

2

1

5

3000

400

1

5

3000

400

3

1

5

800

2500

1

10

800

400

4

0.2

5

3000

2500

0.2

10

3000

400

5

0.2

5

800

400

1

10

3000

800

6

1

10

800

400

0.2

5

800

400

7

0.2

10

3000

400

1

5

800

800

8

1

10

3000

2500

0.2

5

3000

800

Thép thường SS330

Thứ tự

Bước xuống dụng cụ
Vz (mm)

Đường kính dụng
cụ D (mm)

Tốc độ tiến dụng cụ
Vxy (mm/phút)

Tốc độ quay
trục chính n
(vòng/phút)

1

0.2

10

800

2000

2

1

5

3000

400

3

1

10

800

400

4

0.2

10

3000

400

5

1

10

3000

2000

6

0.2

5

800

400

7

1

5

800

2000

8

0.2

5

3000

2000

6


2.3

Kết quả thực nghiệm

2.3.1

Thông số kết quả thực nghiệm nhôm A 1050-H14

7

2.3.2

Thông số kết quả thực nghiệm thép tấm SS330

8


2.3.3

Thông số kết quả thực nghiệm thép không gỉ SUS304

9


2.5

Phân tích kết quả thực nghiệm: phương trình hồi qui
Với kết quả thực nghiệm nhận được,ứng dụng qui hoạch từng phần để

được các phương trình hồi qui về mối quan hệ giữa thông số ảnh hưởng và các
thông số cần khảo sát. Phân tích PTHQ nhằm xác định ảnh hưởng của các yếu
tố công nghệ đến các thông số đều ra cũng được xét đến thông qua việc phân
tích đạo hàm riêng phần.
Bảng tổng kết các phương trình hồi qui của các vật liệu tấm tiêu biểu
Khả năng tạo hình (góc tạo hình 0)
 Nhôm A 1050-H14
 =82,77-0,6 ∆z-0,757D-0,001845Vxy +0,00023 n -0,33D.∆z -0,00021D.Vxy

 Điều kiện đồng biến khi đạo hàm riêng phần dương, từ đó rút ra các kết luận như sau khi cần
tăng khả năng tạo hình của nhôm tấm A 1050-H14: Nhôm có khả năng tạo hình tốt nhất vì có

hằng số lớn nhất là 82.77, đồng biến với n nên chọn tốc độ quay dụng cụ càng cao càng tốt;
Khả năng tạo hình nhôm luôn nghịch biến với z, D và Vxy nên cần giảm z, D và Vxy.

 Thép tấm SS330
 α = 70,38 –0,78z – 0,317D– 0,001n – 0,417z.D +0,002z.Vxy

 Dựa vào điều kiện đồng biến khi đạo hàm riêng phần dương, từ đó rút ra các kết luận nhằm
tăng khả năng tạo hình của thép tấm SS330: Thép tấm SS330 có góc tạo hình đồng biến với
Vxy vì vậy để tăng khả năng tạo hình SS330 ta cần tăng Vxy, điều này làm tăng năng suất
nhưng giảm chất lượng bề mặt sản phẩm; Khả năng tạo hình thép SS330 nghịch biến với z,
D, n nên cần giảm các trị này khi muốn tăng khả năng tạo hình.

 Thép không gỉ SUS304
 α = 63,10–18,163z –D –0,0008Vxy -0,0092n + 0,8333zD – 0,0015zVxy


Dựa vào điều kiện đồng biến khi đạo hàm riêng phần dương, từ đó rút ra các kết luận như sau
khi cần tăng khả năng tạo hình của thép không gỉ SUS304: Thép không gỉ SUS304 có góc tạo
hình luôn nghịch biến với n và V xy nên để tăng khả năng tạo hình SS330 ta cần giảm n và Vxy,
điều này làm giảm năng suất tạo hình; Khả năng tạo hình thép không gỉ SUS304 luôn nghịch
biến với z, do đạo hàm riêng phần chỉ dương khi đường kính D> 21,79, điều này giới hạn
khả năng tạo hình vì nếu chọn D quá lớn sẽ làm tăng công suất tạo hình và có thể không tạo
hình dáng sản phẩm được do bán kính hình học của sản phẩm bé hơn đường kính dụng cụ.
Tóm lại để tăng khả năng tạo hình cần giảm z như vậy năng suất tạo hình cũng sẽ giảm
theo; Thép không gỉ có khả năng tạo hình kém nhất so với nhôm và thép SS330 vì có giá trị
hằng số bé nhất 63,10.

Lượng phục hồi D (mm)
 Nhôm A 1050 H-14
 ∆D =1.66 -0.44z -0.069D -0.0002 Vxy -0,00007n +0,059z.D +0,00003D.Vxy



Để nâng cao độ chính xác tạo hình cần xét điều kiện nghịch biến của lượng phục hồi ∆D theo
z , D, Vxy và n: Với đường kính dụng cụ lớn hơn 7,45 để giảm lượng phục hồi ∆D nhằm
nâng cao độ chính xác kích thước theo phương hướng kính và độ chính xác hình học khi tạo
hình nhôm ta cần chọn z càng lớn càng tốt, điều này làm tăng năng suất tạo hình. Ngược lại
khi dụng cụ có D<7,45 thì khi chọn lượng tiến dụng cụ z càng nhỏ càng tăng độ chính xác;

10


Với lượng tiến dụng cụ xuống z> 1,16 để giảm lượng phục hồi ∆D nhằm nâng cao độ
chính xác kích thước theo phương hướng kính và độ chính xác hình học khi tạo hình nhôm ta
cần chọn D càng lớn càng tốt. Ngược lại khi chạy dụng cụ xuống chậm thì đường kính dụng
cụ phải càng nhỏ càng tốt; Với đường kính dụng cụ lớn hơn 6,66 để giảm lượng phục hồi ∆D
nhằm nâng cao độ chính xác kích thước theo phương hướng kính và độ chính xác hình học
khi tạo hình nhôm ta cần chọn V xy càng lớn càng tốt điều này làm tăng năng suất tạo hình.
Ngược lại khi dụng cụ có D<6,66 thì phải chọn lượng tiến dụng cụ Vxy càng nhỏ càng tăng
độ chính xác.

 Thép tấm SS330
 ΔD = 0,27 + 0,117D + 0,649Vxy – 0,141D.Vxy


Để giảm lượng phục hồi phương hướng kính của thép SS330 cần tăng đường kính D của
dụng cụ, điều này giúp tăng năng suất nhưng bị giới hạn do đường kính D của dụng cụ phải
nhỏ hơn bán kính cong R của sản phẩm; để giảm lượng phục hồi phương hướng kính thép
SS330 cần tăng đường kính D của dụng cụ càng lớn càng tốt, điều này giúp tăng năng suất
nhưng bị giới hạn do đường kính D của dụng cụ phải nhỏ hơn bán kính cong R của sản phẩm;
Lượng phục hồi theo phương đường kính của thép SS330 tỉ lệ thuận với đường kính D của

dụng cụ nên để tăng độ chính xác tạo hình ta giảm D.

 Thép không gỉ SUS304
 ΔD = 8,455 – 17,186z – 0,707D – 15,814Vxy+ 1,907z .D + 0,0097z .Vxy+
1,236D.Vxy


Lượng phục hồi của thép không gì SUS304 không chịu ảnh hưởng bởi số vòng quay n của
dụng cụ; lượng phục hồi phương hướng kính bé nhất thì z, D và Vxy càng bé càng tốt nhưng
điều này cũng làm giảm năng suất tạo hình; lượng phục hồi theo phương đường kính đồng
biến với đường kính D dụng cụ do đó để giảm lượng phục hồi hay nâng cao độ chính xác
hình học và kích thước cần chọn D bé, điều này sẽ làm giảm năng suất tạo hình; lượng phục
hồi nghịch biến với vận tốc Vxy thì đường kính dụng cụ D và lượng tiến dụng cụ z càng bé
càng tốt. Tóm lại, để tăng độ chính xác tạo hình của thép không gỉ SUS304 cần giảm vận tốc
chạy dụng cụ Vxy, đường kính D của dụng cụ và lượng tiến xuống z, còn số vòng quay của
dụng cụ n không ảnh hưởng.

Lượng phục hồi H (mm)
 Nhôm A 1050-H14
 ∆H =0,4 + 0,4225 z-0,076D+0,000312Vxy -0,00004n +0,121 D.z -0,0007z Vxy
+0,000018DVxy


Với giá trị vận tốc Vxy cao, lượng phục hồi nghịch biến với z. Vậy để tăng độ chính xác tạo
hình cần tăng các lượng chạy dụng cụ V xy và z, điều này cũng làm tăng năng suất tạo hình;
Lượng phục hồi theo phương ∆H của nhôm A 1050-H14 tỉ lệ thuận theo z và không chịu
ảnh hưởng các thông số còn lại như D, Vxy, n.

 Thép tấm SS330
 ΔH = 0,011– 0,00023 D + 0,1006 Vxy +0,035 D.Vxy



Lượng phục hồi theo phương ∆H của thép SS330 tỷ lệ thuận với V xy và tỉ lệ nghịch với
đường kính D của dụng cụ nên để tăng độ chính xác tạo hình ta cần tăng D và giảm V xy.

 Thép không gỉ SUS304
 ΔH = 0,57+ 0,724z + 0,065D –0,252Vxy + 0,028VxyD + 0,76Vxyz – 0,048Dz


Lượng phục hồi theo phương ∆H của thép không gỉ SUS304 tỷ lệ thuận với đường kính D và
∆z, tỷ lệ nghịch với V xy, không chịu ảnh hưởng n. Do vậy, để tăng độ chính xác tạo hình hay
giảm lượng phục hồi ta phải tăngVxy đồng thời giảm ∆z và đường kính D của dụng cụ.

11


Độ nhám bề mặt Rz (m)







Nhôm A 1050-H14
Rz = 4,746 + 4,97z– 0,19D – 0,0003Vxy – 0,0008n + 0,001zVxy–0,53zD
Thép tấm SS330
Rz = 0,04 + 6,88z – 0,19D + 0,0001Vxy + 0,0016n – 0,1735zD - 0,0004zVxy
Thép không gỉ SUS304
Rz = 4,617 + 13,3018z+ 0,331D – 0,0004Vxy + 0,007n– 0,713zD - 0,00037zVxy

Độ nhấp nhô bề mặt cả 3 vật liệu nhôm A 1050-H14, thép tấm SS330 và thép không gỉ SUS 304,
tỷ lệ thuận với Rz và tỷ lệ nghịch với đường kính D của dụng cụ. Do đó, để sản phẩm được bóng
cần giảm z và tăng đường kính D đều này làm tăng lực và công suất tạo hình đồng thời giảm
năng suất;
Thép không gỉ SUS304 và thép tấm SS330 có độ nhấp nhô bề mặt tỷ lệ nghịch với Vxy và tỷ lệ
thuận với số vòng quay n của trục chính, vì vậy để tăng chất lượng bề mặt sản phẩm thép không
gỉ SUS304 và thép tấm SS330 ta giảm n và tăng V xy;
Nhôm A 1050-H14 ngược lại tỷ lệ nghịch với n và tỷ lệ thuận với V xy, vì vậy để tăng độ bóng
cho bề mặt sản phẩm thép không gỉ SUS304 và thép mềm SS330 ta giảm V xy và tăng tốc độ dụng
cụ n.

Thời gian tạo hình (phút)
 Nhôm A 1050-H14
 Tg=346,09+281,46z-2,183D -0,098Vxy +0,004n +2,416z*D -0,084 z*Vxy
 Thép tấm SS330
 Tg=500,92-407,2 z + 3,166D -0,42 Vxy +0,008n -3,5z*D +0,122z*Vxy
 Thép không gỉ SUS304
 Tg=569,13 -460,96z +3,67D -0,164Vxy +0,037n -4,041z*D +0,141z*Vxy
-Thời gian tạo hình của 3 loại vật liệu chịu ảnh hưởng gần như nhau đối với các thông số tạo
hình;
-Thời gian tạo hình tỉ lệ thuận với D và n nên để tăng năng suất tạo hình của cả 3 vật liệu cần
giảm D, n;
-Thời gian tạo hình tỉ lệ nghịch với z và Vxy của dụng cụ do dó để tăng năng suất ta tăng lượng
tiến dụng cụ và tốc độ chạy dụng cụ. Điều này cũng tương tự như gia công cắt gọt.

Tóm lại: Chương 2 thể hiện nội dung chính của luận án bao gồm nhiều vấn đề:
- Phân tích, loại trừ để chọn được 4 yếu tố ảnh hưởng chính là z, D, Vxy và
n đến các thông số cần khảo sát như khả năng tạo hình, lượng phục hồi, độ nhấp
nhô bề mặt và năng suất tạo hình. Trong đó yếu tố chính cần khảo sát là khả

năng tạo hình thông qua góc biến dạng cực đại ;
- Chọn phương pháp thực nghiệm TNR với quy trình tính toán và kiểm tra các
tiêu chuẩn Cochran, Student và Fisher để đạt được PTHQ tương thích;
- Phần mềm Minitab được dùng để hỗ trợ tính các phương trình hồi quy;
- Phân tích phương trình hồi quy dựa trên đạo hàm riêng phần. Đưa ra các
nhận xét và biện pháp nhằm nâng cao chất lượng của các thông số khảo sát.

12


CHƯƠNG 3
3.1

NGHIÊN CỨU SPIF BẰNG PHƯƠNG PHÁP
MÔ PHỎNG

Mục đích
Sử dụng phương pháp mô phỏng số của phần mềm ABAQUS để xác

định mối quan hệ giữa các thông số công nghệ như bước xuống z, tốc độ tiến
dụng cụ Vxy, đường kính dụng cụ D và số vòng quay n của dụng cụ cho các vật
liệu nhôm A1050-H14, thép tấm SS330 và thép không gỉ SUS304 với ứng suất
và biến dạng trong tấm. Thông qua giới hạn phá hủy của vật liệu đã biết trước
từ dữ liệu của vật liệu nạp cho ABAQUS, giá trị ứng suất thực và biến dạng
phương pháp mô phỏng số nhận được trên mẫu mô phỏng dùng để xác định:
- Góc giới hạn tạo hình tại vị trí mẫu rách trong mô phỏng do tại đó ứng suất
vượt quá giá trị giới hạn.
- Lượng phục hồi sau tạo hình thông qua việc so sánh biên dạng của tấm và
biên dạng thiết kế từ Pro/ENGINEER. Sai số giữa 2 biên dạng thực và thiết kế
chính là lượng phục hồi được dùng làm giá trị bù trừ sai số khi tạo hình SPIF

trong thực tế sản xuất.
3.2

Biến dạng dẻo, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong vùng dẻo
Biến dạng dẻo là hiện tượng biến dạng không phục hồi, do đó định luật

Hooke không còn đúng như đối với miền đàn hồi nữa. Biến dạng dẻo được
nghiên cứu trong bài toán SPIF vì đây một quá trình biến dạng dẻo phức tạp có
cả hiện tượng hồi phục sau tạo hình do tính chất đàn dẻo của vật liệu.

Hình 3.1: Mô hình dẻo (c) được chọn do phù hợp kết quả của PTN Công nghệ
vật liệu

13


Hình 3.2: a- Máy SPIF dùng thực nghiệm trong DCSELAB b-Tạo hình nhôm tấm A
1050-H14 trên máy SPIF c- Công suất nhận trên màn hình.

3.3

Qui trình mô phỏng
Sử dụng mô phỏng số và phần mềm Abaqus để xác định mối quan hệ

giữa các thông số công nghệ với khả năng tạo hình và hiện tượng phục hồi sau
tạo hình.

Hình 3.3: Mô hình mẫu sản phẩm tạo hình bằng mô phỏng SPIF

Hình 3.4: Mô hình chia lưới

Hình 3.5: Mặt cắt ứng suất đi qua tâm
của hình

Hình 3.6 trình bày biểu đồ ứng suất trên mặt cắt này ứng với mỗi độ sâu của dụng cụ
cho đến khi một giá trị nào đó đạt đến ứng suất phá huỷ ở độ sâu h tương ứng với góc
αmax cần xác định trong mô hình mô phỏng. Sau khi xác định vị trí xảy ra đứt gãy, tiếp
tục lấy giá trị toạ độ các điểm trên đường dẫn để xác định giá trị phục hồi sau tạo hình.

14


Giá trị này sẽ là sai số giữa đồ thị biểu diễn biên dạng khi mô phỏng và biên dạng vẽ
bằng Pro/ENGINEER.

Hình 3.6: Phân bố ứng suất trên tấm tại 3 độ sâu khác nhau

Hình 3.7: Biểu đồ phân bố ứng suất của các loại vật liệu cho các mô phỏng
Hình 3.7 trình bày phân bố ứng suất trên đường dẫn ngang qua tâm của
sản phẩm. Mỗi trường hợp mô phỏng sẽ được vẽ biểu đồ phân bố ứng suất tại
từng độ sâu cho đến khi có dấu hiệu vượt quá ứng suất phá huỷ của vật liệu trên
mẫu đó tại độ sâu h, từ đó tính góc tạo hình lớn nhất đạt được.

15


3.4

Kết quả tạo hình SPIF bằng mô phỏng
Nhôm A 1050-H14

Thứ tự

Bước
xuống
dụng cụ z
(mm)

Đường
kính
dụng cụ
D (mm)

Tốc độ tiến
dụng cụ Vxy
(mm/phút)

Tốc độ quay
trục chính n
(vòng/ phút)

Góc tạo
hình (0)

1

0,2

5

800

400

2

1

5

800

3

0,2

10

4

1

5

Lượng phục
hồi ∆D (mm)

Lượng
phục
hồi ∆H

(mm)

76,5

1,34

0,62

2500

77,48

1,05

0,46

800

2500

74,53

0,93

0,41

10

800

400

71,53

1,31

0,74

0,2

5

3000

2500

75,91

0,98

0,56

6

1

5

3000

400

76,5

1,02

0,45

7

0,2

10

3000

400

74,53

1,32

0,78

8

1

10

3000

2500

72,54

1,20

0,83

Lượng phục
hồi ∆D (mm)

Lượng
phục
hồi ∆H
(mm)

Thép SS330

Thứ tự

Bước
xuống
dụng cụ z
(mm)

Đường
kính
dụng cụ

D (mm)

Tốc độ tiến
dụng cụ Vxy
(mm/ phút)

Tốc độ quay
trục chính n
(vòng/ phút)

Góc tạo
hình (0)

1

1

5

800

2000

65,38

0.69

0,52

2

0,2

5

800

400

67,46

0.45

0,85

3

1

10

800

400

62,18

0.38

0,49

4

0,2

10

800

2000

64,32

0.41

0,32

5

1

5

3000

400

66,42

0.35

0,36

6

0,2

5

3000

2000

64,32

0.55

0,37

7

1

10

3000

2000

67,46

0.48

0,72

8

0,2

10

3000

400

66,42

0.51

0,59

Thép không gỉ SUS304
Lượng
phục hồi
∆D (mm)

Thứ tự

Bước xuống
dụng cụ z

(mm)

Đường
kính
dụng cụ
D (mm)

Tốc độ tiến
dụng cụ Vxy
(mm/ phút)

Tốc độ quay
trục chính n
(vòng/ phút)

Góc tạo
hình (0)

1

1

5

800

800

65,37

1.78

1,05

2

0,2

5

800

400

63,25

1.69

0,99

16

Lượng
phục hồi
∆H (mm)


Thép không gỉ SUS304
Lượng
phục hồi

∆D (mm)

Thứ tự

Bước xuống
dụng cụ z
(mm)

Đường
kính
dụng cụ
D (mm)

Tốc độ tiến
dụng cụ Vxy
(mm/ phút)

Tốc độ quay
trục chính n
(vòng/ phút)

Góc tạo
hình (0)

3

1

10

800

400

61,09

1.65

0,62

4

0,2

10

800

800

60

2.03

0,83

5

1

5

3000

400

62,18

1.23

0,60

6

0,2

5

3000

800

64,32

1.14

1,10

7

1

10

3000

800

62,18

1.81

0,55

8

0,2

10

3000

400

62,18

1.28

0,75

Nhôm A 1050 H14

Thép SS330

Thép không gỉ SUS304
Hình 3.8: So sánh biên dạng mô hình mô phỏng và biên dạng CAD

17

Lượng
phục hồi
∆H (mm)


Nhận xét:
- Ứng suất ở vùng giữa mặc dù không chịu lực tác dụng nhưng cũng bị biến
động còn ứng suất tại các vách thành tăng dần từ vùng kẹp (vị trí 0 đến 5) và (vị
trí 121 đến 125);
- Ứng suất đạt cực đại ở tạo hình gần như bằng nhau ở 2 thành vách mẫu sau
đó giảm nhanh về gần bằng 0 ở vùng giữa không chịu lực;
- Ứng suất trong thép không gỉ SUS304 cao nhất tại vùng biến dạng (~600
MPa) kế tiếp là thép tấm SS330 (~400 MPa) sau đó là nhôm A 1050-H14(<100
MPa). Điều này phù hợp với cơ tính của vật liệu: vật liệu càng cứng thì ứng
suất càng lớn và ngược lại;
- Tất cả vật liệu kim loại (thép không gỉ SUS304, thép SS330 và nhôm A
1050-H14) thì vùng không biến dạng (vùng đáy mẫu côn) vẫn có ứng suất.
3.5

So sánh kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng

Biểu đồ so sánh sai số góc tạo hình mô phỏng và thực nghiệm:

Nhôm A 1050-H14

18


Thép tấm SS330

Thép không gỉ SUS304
Nhận xét:
So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm trong chương 2 cho
thấy sai số giữa 2 phương pháp tương đối lớn (10%) đối với lượng phục hồi và
sai số dưới 6% đối với khả năng tạo hình.
Tóm lại:
Chương 3 nghiên cứu mô phỏng SPIF bằng phần mềm ABAQUS đã thực
hiện một số nghiên cứu sau:
- Đã thiết lập được phạm vi và giới hạn của quá trình mô phỏng bằng phần
mềm;
- Quy trình mô phỏng tạo hình SPIF bằng phần mềm ABAQUS: được trình
bày trong [62];

19


- Kết quả mô phỏng khả năng tạo hình và lượng phục hồi của 3 loại vật liệu
kim loại tấm được trình bày bằng kết quả số và đồ thị và được so sánh với kết
quả thực nghiệm;
- Nhận xét, kết luận về ảnh hưởng của các thông số tạo hình đến góc giới
hạn tạo hình và lượng phục hồi.

20


CHƯƠNG 4

THIẾT LẬP CHẾ ĐỘ GIA CÔNG TỐI ƯU
THEO HÀM MỤC TIÊU

Mục đích và yêu cầu

4.1

Tối ưu hóa các thông số công nghệ theo hàm mục tiêu là tìm cực trị của
các thông số đầu ra theo các giá trị của thông số tạo hình trong điều kiện ràng
buộc hay làm bài toán ngược nhằm tìm giá trị của các thông số công nghệ (z,
D, Vxy và n) theo các giá trị mục tiêu đầu ra:
- Khả năng tạo hình lớn nhất (giá trị  cực đại)
- Độ chính xác kích thước và hình dạng cao nhất (D và H cực tiểu)
- Độ nhám bề mặt cao nhất (Rz cực tiểu)
- Năng suất tạo hình cao nhất (Thời gian tạo hình Tg cực tiểu)
Với kết quả tối ưu trên, luận án cũng sẽ xây dựng các công cụ (phần
mềm, biểu bảng) tra cứu chế độ gia công tạo hình SPIF để phục vụ tạo hình tấm
bằng công nghệ SPIF trong thực tiễn.
4.2

Trình tự tối ưu hóa theo hàm mục tiêu

Bước 1: Thiết lập hàm mục tiêu:
Với khả năng tạo hình và độ chính xác hình học gây ra do lượng phục hồi cần

phối hợp kết quả mô phỏng và thực nghiệm
Với độ nhấp nhô bề mặt và năng suất tạo hình thì dùng các phương trình hồi
quy thực nghiệm do mô phỏng không cho sản phẩm thực và thời gian tạo hình
thực.
Bước 2: Xác định các giá trị giới hạn và thường dùng của các thông số công
nghệ (z, D, Vxy, n).
Bước 3: Sử dụng Microsoft Excel/Data/ Solver để thực hiện bài toán tối ưu các
thông số đầu ra cho từng loại vật liệu với các giá trị biên thực tế của máy.

21


Bước 4: Chọn giá trị tối ưu khả thi trên máy.
4.2.1

Thiết lập chế độ gia công tối ưu theo khả năng biến dạng dẻo
PTHQ kết quả thực nghiệm được sử dụng để giải bài toán tối ưu khả

năng biến dạng dẻo, dựa theo kết quả các phương trình hồi quy thực nghiệm
(2.3)...(2.15) trong chương 2. Thiết lập bài toán tối ưu hóa cho Solver như trong
hình 4.1.

Hình 4.1: Bảng tối ưu hóa cho nhôm A 1050-H14 bằng Solver
Kết quả:

Hình 4.2 kết quả tối ưu hóa góc tạo hinh nhôm A 1050-H14

22

Kết quả tối ưu hóa cho nhôm A 1050-H14 bằng Solver trong ô $F$3 là
80 giá trị maximun với các thông số tạo hình Vz=0,1067mm, đường kính D=3,
0

VXY=0,4m/ph và số vòng quay trục chính n=200,0003 vg/ph.
Thực hiện tương tự tối ưu góc tạo hình (Phụ lục C [62]) của các vật liệu
khác như thép không gỉ SUS304, và thép tấm SS330 với phương trình hồi quy
trong (4.1) ta có các bảng tổng kết sau đây:
Bảng 4.1: Tổng kết tối ưu thông số tạo hình của 3 loại vật liệu

Vật liệu
Khả năng tạo hình
(0) α max
z (mm)
D (mm)
VXY (mm/ph)
n (vg/ph)
4.2.2

A 1050-H14
800
0,2
5
400
2500

SS330
69043

SUS304

66073

1
5
3000
200

0,2
5
400
200

Thiết lập chế độ gia công tối ưu theo giá trị phục hồi sau tạo hình

Lượng phục hồi theo phương đường kính D:
Thực hiện theo quy trình trên với các phương trình hồi quy lượng phục hồi ta
có bảng tối ưu lượng phục hồi theo phương hướng kính D (Bảng 4.2):

Bảng 4.2 Tổng kết tối ưu theo lượng phục hồi theo phương hướng kính D của
3 loại vật liệu
Vật liệu
Lượng phục hồi D  min
z (mm)
D (mm)
VXY (mm/ph)
n (vg/ph)

A 1050-H14
0,7
1

5
3000
2500

Lượng phục hồi theo phương chiều sâu H:

23

SS330
0, 5
0,2
10
3000
200

SUS304
0,35
0.2
5
3000
200


Thực hiện theo quy trình trên với các phương trình hồi quy trong bảng 4.1 với
kết quả:
Bảng 4.1 Tổng kết tối ưu theo lượng phục hồi theo phương chiều sâu H
của 3 loại vật liệu (Phụ lục C [62])
A 1050-H14

SS330

SUS304

0,16

0,07

1,05

z (mm)

1

1

0,2

D (mm)

5

5

5

VXY (mm/ph)

3000

400

400

n (vg/ph)

2500

200

200

Vật liệu
Lượng phục hồi H (mm)

4.2.3

Thiết lập chế độ gia công tối ưu theo chất lượng bề mặt sản phẩm

Độ nhấp nhô bề mặt 3 vật liệu được chọn theo điều kiện cực tiểu của Rz, trong
Phụ lục C [62]:
Bảng 4.3 Tổng kết tối ưu theo độ nhấp nhô bề mặt của 3 loại vật liệu
Vật liệu

A 1050-H14

Thép tấm
SS330

Min
Min

Min
Max

Min
Max
Min
Min

z (mm)
D (mm)
VXY (mm/ph)
n (vg/ph)

4.2.4

Thép
không gỉ
SUS304
Min
Min
Min
Min

Thiết lập chế độ gia công tối ưu theo năng suất tạo hình
Thực hiện theo quy trình trên với giá trị trung bình các hệ số các

phương trình hồi quy cho thời gian tạo hình A 1050-H14, thép SS330 và thép
không gỉ SUS304 trong bảng 4.4.
Nhận xét: Tối ưu hóa theo năng suất tạo hình bằng tối ưu cực tiểu thời gian tạo
hình cho thấy:

24




Chỉ có thép mềm SS330 cần đường kính D lớn tuy nhiên phải bé hơn
<2Rmin của bề mặt sản phẩm cần tạo hình, còn các vật liệu khác cần chọn
đường kính dụng cụ bé;



Tốc độ quay dụng cụ n không cần phải lớn đối với tất cả vật liệu kim loại;



Vận tốc chạy dụng cụ Vxy càng lớn càng tốt trong khi lượng tiến dụng cụ
xuống khoảng 1mm.
Bảng 4.4 Tổng kết tối ưu theo năng suất tạo hình của 3 loại vật liệu (C
[62])
Vật liệu

A 1050-H14

Thép tấm SS330

min
max
max
min

max
max
max
min

z (mm)
D (mm)
VXY (mm/ph)
n (vg/ph)
4.3

Thép
không
gỉ
SUS30
4
min
min
max
min

Xây dựng các công cụ tra cứu chế độ gia công tạo hình SPIF để sử
dụng trong thực tế

4.3.1

Xây dựng phần mềm tra cứu chế độ gia công tạo hình SPIF
Phần mềm hỗ trợ tra cứu kết quả quy hoạch thực nghiệm SPIF được

thực hiện nhằm giúp tra cứu các chế độ tạo hình tấm.
4.3.2

Xây dựng biểu bảng tra cứu chế độ gia công tạo hình SPIF
Biểu bảng tra cứu được thực hiện trên MS Excel. Thông qua biểu

bảng tra cứu ta có thể xây dựng “Sổ tay tra cứu tạo hình SPIF”.
Phân nhánh chương trình lập biểu bảng tra cứu theo 4 loại vật liệu
a. Tra cứu thuận

25