cải tiến kết cấu máy spif nhằm nâng cao khả năng tạo hình tấm kim loại

GVHD: TS.Lê Khánh Điền

LỜI NÓI ĐẦU
Công nghệ gia công kim loại tấm bằng biến dạng cục bộ liên tục (tên tiếng anh là
Incremetal Sheet Forming còn được viết tắt là ISF) là một trong những phương pháp gia
công biến dạng kim loại tấm tiên tiến hiện nay.Đây là một phương pháp hiện đại, có ưu
điểm là thời gian sản xuất ngắn do không cần phải tạo khuôn cho quá trình tạo hình sản
phẩm nên rút ngắn được thời gian sản xuất cũng như giảm bớt chi phí, việc sản xuất đi từ
việc xây dựng mô hình sản phẩm trong môi trường CAD, xuất chương trình gia công trong
môi trường CAM và đi thẳng đến các máy CNC hoặc robot công nghiệp để thực hiện quá
trình tạo hình sản phẩm. Tuy nhiên phương pháp vẫn còn một số hạn chế nhất định, đối với
sản phẩm có yêu cầu góc tạo hình lớn thì khả năng công nghệ của ISF không thể đáp ứng
được.Nhằm nâng cao khả năng công nghệ của ISF thông qua việc giảm bớt sự ảnh hưởng
của góc tạo hình trong quá trình gia công đã được hình thành nhằm góp phần hoàn thiện
công nghệ này, để thực hiện được việc đó ta chế tạo cụm dao cải tiến sao cho đáp ứng được
khả năng xoay để hổ trợ việc gia công những sản phẩm có yêu cầu góc biến dạng lớn.
Với đề tài là “CẢI TIẾN KẾT CẤU MÁY SPIF NHẰM NÂNG CAO KHẢ NĂNG
TẠO HÌNH TẤM KIM LOẠI”, mục đích hỗ trợ cho công nghệ ISF để đạt hiệu quả kinh tế
và hoàn thiện khả năng gia công.
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của TS. Lê Khánh Điền
trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp để em có thể hoàn thành đề tài này.

Người thực hiện

Nguyễn Thanh Cứ

i


GVHD: TS.Lê Khánh Điền

MỤC LỤC
Chương 1: TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ SPIF,KHẢO SÁT TÌNH HÌNH NGHIÊN
CỨU CÔNG NGHỆ SPIF TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC. ............................................ 1
1.1.

Phương pháp gia công kim loại tấm bằng công nghệ SPIF ............................ 1

1.1.1. Ưu điểm và khuyết điểm của phương pháp: ................................................... 4
1.1.2. Các thông số ảnh hưởng đến khả năng công nghệ: ................................. 5
1.1.3. Các biện pháp nâng cao khả năng tạo hình: ................................................... 8
1.2.

Tình hình nghiên cứu máy SPIF ở Việt Nam và trên thế giới : .......................... 8
1.2.1.

Tình hình nghiên cứu trên thế giới:............................................................ 8

1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước: ............................................................. 8
1.3.
Lý do thực hiện đề tài và luận văn : .................................................................. 9
1.3.1. Lý do thực hiện đề tài:............................................................................... 9
1.4.
Mục tiêu luận văn:.......................................................................................... 10
1.5.

Nhiệm vụ luận văn: ........................................................................................ 10

1.6.

Phạm vi luận văn : .......................................................................................... 10

Chương 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN VÀ ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG ÁN THỰC
HIỆN............................................................................................................................. 11
2.1.

2.2.

Xây dựng phương án: ..................................................................................... 11
2.1.1.

Phương án 1: ........................................................................................... 11

2.1.2.

Phương án 2: ........................................................................................... 12

2.1.3.

Phương án 3: ........................................................................................... 13

2.1.4. Phương án 4: ........................................................................................... 14
Đánh giá phương án : ..................................................................................... 15

Chương 3: TÍNH TOÁN LỰC TẠO HÌNH VÀ THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ........... 16
3.1.

Tính toán lực tạo hình: ................................................................................... 16

3.2.

Tính toán trục 1: ............................................................................................. 21

3.3.

Tính toán trục 2: ............................................................................................. 23

3.4.

Kiểm nghiệm trục........................................................................................... 25

3.5.

Chọn ổ lăn. ..................................................................................................... 29
ii


GVHD: TS.Lê Khánh Điền
3.5.1.

Chọn ổ lăn cho trục 1. ............................................................................. 29

3.5.2. Chọn ổ lăn cho trục 2. ............................................................................. 32
Chương 4: XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN. ............................................. 35
4.1.
Xuất chương trình gia công thông qua máy CNC 3 trục và hiệu chỉnh chương
trình gia công. ............................................................................................................. 35
4.1.1.

Xuất chương trình gia công: .................................................................... 35

4.1.2. Hiệu chỉnh chương trình gia công :.......................................................... 39
Chương 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN .................................................................. 46
5.1.

Thiết kế hệ thống điều khiển .......................................................................... 46

5.2.

Thiết lập các tín hiệu đầu ra trong MACH3 .................................................... 48

5.2.1. Các thiết lập ban đầu trên MACH3 .......................................................... 48
5.2.2. Thiết lập trên MACH3 ................................................................................... 50
TỔNG KẾT. ................................................................................................................. 55
Phụ lục A ...................................................................................................................... 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 80

iii


GVHD: TS.Lê Khánh Điền

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Mô tả phương pháp gia công bằng công nghệ SPIF [11]. ................................ 2
Hình 1. 2: Mô tả phương pháp gia công bằng công nghệ TPIF [11]. ................................ 3
Hình 1. 3: Mô phỏng đường chạy dao trong quá trình gia công [12]. ............................... 4
Hình 1. 4: Gia công tấm kim loại với trục dao thẳng đứng. .............................................. 6
Hình 1. 5: Gia công tấm kim loại với trục dao vuông góc với mặt gia công. .................... 7
Hình 2. 1: Phương án 1.................................................................................................. 11
Hình 2. 2: Phương án 2.................................................................................................. 12
Hình 2. 3: Phương án 3.................................................................................................. 13

Hình 2. 4: Phương án 4.................................................................................................. 14
Hình 3. 1: Các thành phần lực theo tài liệu [6]............................................................... 17
Hình 3. 2: Sơ đồ kết cấu của cụm dao cải tiến. .............................................................. 20
Hình 3. 3: Sơ đồ đặt lực, biểu đồ moment trên trục 1. .................................................... 21
Hình 3. 4: Sơ đồ đặt lực, biểu đồ moment trên trục 2. .................................................... 23
Hình 3. 5: Sơ đồ bố trí ổ trên trục 1. .............................................................................. 29
Hình 3. 6: Sơ đồ bố trí ổ trên trục 2. .............................................................................. 32
Hình 4. 1: Mô hình CAD trong môi trường sản xuất. ..................................................... 35
Hình 4. 2: Chọn máy gia công trong môi trường sản xuất. ............................................. 36
Hình 4. 3: Thiết lập gốc tọa độ sản phẩm....................................................................... 36
Hình 4. 4: Khai báo thông số dụng cụ gia công.............................................................. 37
Hình 4. 5: Đường chạy dao của dụng cụ gia công. ......................................................... 37
Hình 4. 6: Xác định pháp tuyến của 1 bề mặt................................................................. 39
Hình 4. 7: Tính toán giá trị góc quay thông qua Excel. .................................................. 40
Hình 4. 8: Bề mặt có khi dao quay quanh Z 315 o và quay quanh Y -55.9413o. .............. 41
Hình 4. 9: Bề mặt có khi dao quay quanh Z 315 o và quay quanh Y 55.9413o................. 41
Hình 4. 10: Dao xoay trong mặt phẳng Oxz................................................................... 42
iv


GVHD: TS.Lê Khánh Điền

Hình 5. 1: Trình tự các bước điều khiển. ....................................................................... 46
Hình 5. 2: Mạch MACH3 5 trục . ................................................................................. 47
Hình 5. 3: Giản đồ điều khiển các trục thông qua phần mềm MACH3. .......................... 48
Hình 5. 4: Các chức năng trong MACH3. ...................................................................... 49
Hình 5. 5: Giao diện MACH3........................................................................................ 49
Hình 5. 6: Thiết lập hệ đơn vị trong MACH3. ............................................................... 50
Hình 5. 7: Hộp thoại khai báo địa chỉ cổng song song trên phần mềm MACH3. ........... 51
Hình 5. 8: Hộp thoại thiết lập chân tín hiệu trên phần mềm MACH3. ........................... 52

Hình 5. 9: Hộp thoại thiết lập xung cấp cho động cơ trên phần mềm MACH3. ............. 53
Hình 5. 10: Kết nối mạch MACH3 với các thành phần khác.......................................... 54

v


GVHD: TS.Lê Khánh Điền

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1: Bảng tiêu chí đánh giá phương án. ............................................................... 15
Bảng 2. 2: Bảng đánh giá các phương án thực hiện. ....................................................... 15
Bảng 3. 1: Bảng giá trị moment cản uốn và moment cản xoắn. ...................................... 27
Bảng 3. 2: Bảng biên độ và giá trị trung bình các ứng suất............................................. 27
Bảng 3. 3: Bảng kết quả tính toán hệ số an toàn của các tiết diện trục. ........................... 28
Bảng 3. 4: Thông số kích thước của ổ 7207. .................................................................. 31
Bảng 3. 5: Thông số kích thước của ổ 7507. .................................................................. 34

vi


CHƯƠNG 1

GVHD: TS.Lê Khánh Điền

Chương 1: TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ SPIF,KHẢO SÁT TÌNH HÌNH
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SPIF TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC.
1.1. Phương pháp gia công kim loại tấm bằng công nghệ SPIF
Các phương pháp gia công tấm cổ điển được sử dụng hiệu quả trong sản xuất
hàng loạt lớn. Đối với các sản phẩm tấm có hình dạng phức tạp, nhưng sản lượng đơn
chiếc, chế tạo thử thì chi phí chế tạo khuôn rất tốn kém, không đủ bù chi phí ban đầu.

Vì vậy, từ thập niên 60 của thế kỷ 20, các nhà công nghệ đã cố gắng tìm kiếm các biện
pháp gia công hiệu quả, phù hợp hơn. Năm 1967, lần đầu tiên Edward Leszak (Mỹ) đã
đưa ra phương pháp tạo hình “Single Point Incremental Forming”- SPIF bằng cách điều
khiển quĩ đạo của dụng cụ tạo hình để tạo hình sản phẩm tấm. Mặc dù nhận được bằng
sáng chế năm 1967 nhưng lúc đó công nghệ này chưa hiện thực được do kỹ thuật điều
khiển thời đó còn thô sơ, phải chờ đến thập niên 90, khi kỹ thuật điều khiển số và sự
xuất hiện các máy gia công CNC thì SPIF mới bắt đầu được nghiên cứu trong các viện
nghiên cứu, các trường đại học và sau đó chiếm một vị trí quan trọng trong sản xuất.
Đây là một nhánh của phương pháp tạo hình tấm bằng biến dạng gia tăng
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 biệt thành hai phương pháp khác nhau:
 Single Point Incremental Forming (SPIF):
Công nghệ tạo hình cục bộ liên tục đơn điểm, có dụng cụ tác dụng trên
một mặt của tấm còn mặt kia biến dạng tự do. Phương pháp này không cần
dùng khuôn có hình dạng của sản phẩm mà chỉ cần có tấm tựa dưới có cùng
chu vi với sản phẩm và tấm kẹp trên để cố định phôi tấm cần tạo hình .Dụng
cụ tạo hình có đầu hình bán cầu không có lưỡi cắt di chuyển theo quĩ đạo của
biên dạng sản phẩm nhờ máy CNC hay máy chuyên dùng SPIF điều khiển.

1


CHƯƠNG 1

GVHD: TS.Lê Khánh Điền
Hầu hết các công trình nghiên cứu hiện nay đều tập trung vào SPIF do công
nghệ này được xem như đại diện cho ISF.

Hình 1. 1: Mô tả phương pháp gia công bằng công nghệ SPIF [11].
 Two Point Incremental Forming (TPIF):

Tạo hình bằng biến dạng cục bộ liên tục hai điểm, lực tạo hình tác
dụng trên cả hai mặt của tấm do ngoài tấm tựa dưới như SPIF, TPIF còn
cần dùng thêm dưỡng tạo phần lồi cho sản phẩm .Toàn bộ đồ gá và tấm
tựa dưới sẽ di chuyển xuống theo đầu dụng cụ tạo hình còn dưỡng tạo
phần lồi thì cố định trên bàn máy.). TPIF có thể tạo hình tấm vừa lõm vừa
lồi nhưng cần phải chế tạo thêm dưỡng và đồ gá phải có chuyển động lên
xuống cùng với dụng cụ.

2


CHƯƠNG 1

GVHD: TS.Lê Khánh Điền

Hình 1. 2: Mô tả phương pháp gia công bằng công nghệ TPIF [11].
 Mô tả quá trình :
Tạo hình tấm bằng biến dạng gia tăng (ISF) là một trong những phương
pháp gia công biến dạng kim loại tấm. Sản phẩm có hình dạng phức tạp ( có
thể đối xứng hoặc bất đối xứng ). Quá trình tạo hình được dựa trên nguyên
tắc gia công theo từng lớp,mô hình CAD sẽ được chia nhỏ ra thành từng lớp
cắt.Đường chạy dụng cụ sẽ được điều khiển để di chuyển theo biên dạng của
từng lớp cắt của mô hình.Sau khi di chuyển hết biên dạng của lớp cắt
trước,dụng cụ gia công sẽ di chuyển dọc theo trục Z để di chuyển theo biên
dạng của lớp cắt kế tiếp. Quá trình này sẽ được lặp lại cho đến lớp cắt cuối
cùng. Phương pháp gia công này có thể được thực hiện trên các máy phay
CNC 3 trục,CNC 5 trục ngoài ra cũng có thể sử dụng các tay máy robot công
nghiệp để thực hiện.

3

CHƯƠNG 1

GVHD: TS.Lê Khánh Điền

Hình 1. 3: Mô phỏng đường chạy dao trong quá trình gia công [12].
1.1.1. Ưu điểm và khuyết điểm của phương pháp:
 Ưu điểm
 Không cần sử dụng khuôn trong quá trình gia công. Đi thẳng từ mô
hình CAD sang các phần mềm CAM đến SPIF không tốn chi phí trong
việc chế tạo khuôn.
 Khả năng biến dạng lớn.
 Có thể gia công các sản phẩm không đối xứng.
 Phù hợp với công đoạn tạo mẫu của quá trình thiết kế và phát triển sản
phẩm và sản xuất với số lượng ít.
 Không đòi hỏi cao về dụng cụ tạo hình.

4


CHƯƠNG 1

GVHD: TS.Lê Khánh Điền
 Nhược điểm
 Không phù hợp với việc sản xuất số lượng lớn.
 Bị giới hạn bởi góc tạo hình.
 Đầu miết của dụng cụ tạo hình mòn cục bộ, ảnh hướng đến chất lượng
sản phẩm.

1.1.2. Các thông số ảnh hưởng đến khả năng công nghệ:
Các nghiên cứu trong cho thấy có nhiều thông số có ảnh hưởng đến khả năng
tạo hình và chất lượng bề mặt của sản phẩm tấm khi tạo hình bằng SPIF:
 Module đàn hồi ES, hệ số Poisson S của vật liệu tấm.
 Bề dày tấm t trước khi gia công.
 Module đàn hồi EP, hệ số Poisson p của vật liệu dụng cụ tạo hình.
 Đường kính dụng cụ tạo hình D.
 Số vòng quay n của trục chính mang dụng cụ tạo hình.
 Vận tốc chạy dụng cụ Vxy trong mặt phẳng xy.
 Lượng tiến dụng cụ xuống z theo chiều sâu.
 Hệ số ma sát  giữa tấm và dụng cụ tạo hình.
 Nhiệt độ tạo hình T.
Ngoài các thông số trên góc tạo hình cũng có ảnh hưởng đến khả năng tạo
hình cũng như chất lượng bề mặt sản phẩm, các nghiên cứu cho thấy giới hạn
góc tạo hình chỉ đạt đến 75-800 nếu góc tạo hình lớn hơn giá trị này thì sản phẩm
sẽ bị rách. Gia công biến dạng tấm bằng phương pháp biến dạng tăng hiện nay
5


CHƯƠNG 1

GVHD: TS.Lê Khánh Điền

chủ yếu được thực hiện thông qua máy CNC 3 trục ( hướng đùn luôn song song
với trục Z) việc này ảnh hưởng đến khả năng tạo hình các sản phẩm kim loại
tấm phức tạp chứa các bề mặt bởi tạo hình một lần không thể nhìn thấy theo
chiều dương và chiều âm của trục Z và sản phẩm có góc tạo hình lớn hơn 90 o là
không thể thực hiện được.
Tài liệu [7] đã chỉ ra rằng hướng đùn trong quá trình biến dạng tăng(ISF)
có ảnh hưởng lớn đến chất lượng tạo hình. Đối với các hướng đùn khác nhau thì

các thông số về độ rung động, sự uốn cong của dụng cụ, độ nảy, nếp nhăn và độ
biến dạng cũng khác nhau ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm tạo hình.Việc
thay đổi hướng đùn cũng tăng khả năng tiếp cận của dụng cụ đùn đến bề mặt cần
gia công.
Ngoài ra tài liệu [8] cũng cho thấy việc điều chỉnh tư thế của dụng cụ liên
tực trong quá trình chạy dao góp phần đảm bảo các góc tạo hình α ≤ góc tạo
hình giới hạn α max.

Hình 1. 4: Gia công tấm kim loại với trục dao thẳng đứng.

6


CHƯƠNG 1

GVHD: TS.Lê Khánh Điền
Trên hình 1.4 ta có thể thấy trong khi gia công phần đỉnh dao chỉ tiếp xúc

một phần với bề mặt đang gia công, việc tiếp xúc không đều này sẽ làm ảnh
hưởng đến chất lượng của sản phẩm sau khi gia công.

Hình 1. 5: Gia công tấm kim loại với trục dao vuông góc với mặt gia công.
Trên hình 1.5 ta có thể thấy trong trường hợp trục dao vuông góc với khi
gia công toàn bộ phần đỉnh dao chỉ tiếp xúc với bề mặt đang gia công, đến chất
lượng của sản phẩm sau khi gia công.
Để giải quyết các vấn đề này phương án được đưa ra để nâng cao khả năng
tạo hình của phương pháp biến dạng tăng (ISF) làm cho dụng cụ gia công luôn
vuông góc với bề mặt gia công nhằm hạn chế các ảnh hưởng của rung động,
dụng cụ bị uốn cong, độ nảy và góc tạo hình.

7


CHƯƠNG 1

GVHD: TS.Lê Khánh Điền

1.1.3. Các biện pháp nâng cao khả năng tạo hình:
Biện pháp nâng cao khả năng tạo hình thông qua việc thay đổi hướng của
trục dụng cụ tạo hình luôn vuông góc với bề mặt sản phẩm trong suốt quá trình
gia công được thực hiện thông qua việc:
 Điều khiển bàn máy xoay kết hợp với dụng để mặt phẳng gia công vuông
góc với dụng cụ tạo hình.
 Điều khiển trục dụng cụ tạo hình vuông góc với mặt phẳng gia công.
1.2. Tình hình nghiên cứu máy SPIF ở Việt Nam và trên thế giới :
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới:
Công nghệ SPIF do Leszak phát minh năm 1967 đã được quan tâm nhiều từ
năm 1995 với các nghiên cứu tìm hiểu quá trình biến dạng và xây dựng mô hình cho
SPIF. Từ năm 2003, các nhà nghiên cứu tập trung khảo sát khả năng tạo hình, lực
tác dụng và độ chính xác tạo hình của SPIF (chủ yếu trên mô hình máy phay CNC
3trục). Từ năm 2005 đến nay, có rất nhiều hội nghị về công nghệ SPIF. Đã có những
nghiên cứu về khả năng ứng dụng của SPIF như tạo mẫu nhanh, ứng dụng trong y
học…Gần đây một số nghiên cứu về ảnh hưởng của hướng đùn trong quá trình gia
công ảnh hưởng đến chất lượng tạo hình cũng như đảm bảo được góc tạo hình luôn
nằm trong giới hạn góc tạo hình cho phép.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước:
Nghiên cứu công nghệ ISF hiện còn rất hạn chế tại nước ta. Từ năm 2008,
nhóm nghiên cứu công nghệ SPIF tại PTN Trọng điểm Quốc gia Điều khiển số và
Kỹ thuật hệ thống, ĐHQG TP.HCM đã thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm trên
máy phay CNC Bridgeport với vật liệu nhôm A1050-H14 và thép tấm SS330.

Từ năm 2010 đến năm 2012, nhóm nghiên cứu công nghệ SPIF tại PTN Trọng
điểm Quốc gia Điều khiển số và Kỹ thuật hệ thống, ĐHQG TP.HCM đã công bố
8


CHƯƠNG 1

GVHD: TS.Lê Khánh Điền

một số nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng để xác định khả năng tạo
hình, độ chính xác kích thước, chất lượng bề mặt dưới ảnh hưởng của các chế độ tạo
hình trên vật liệu nhôm A1050-H14, thép tấm SS330 và thép không gỉ SUS304 với
các mẫu thí nghiệm có dạng côn cung tròn và côn thẳng. Ngoài ra còn một số đề tài
về nghiên cứu cũng ứng dụng công nghệ SPIF đã được thực hiện như:
 Nghiên cứu công nghệ SPIF gia công tạo hình kim loại tấm trong công
nghiệp.
 Nghiên cứu biến dạng tấm Composite nhựa nhiệt dẻo khi gia công bằng
SPIF.
Nhìn chung, nghiên cứu trong nước đã từng bước xây dựng mô hình SPIF bằng
lý thuyết và thực nghiệm nhưng số công trình còn ít và chưa khắc phục được các
yếu tố ảnh hưởng ngẫu nhiên.
1.3. Lý do thực hiện đề tài và luận văn :
1.3.1. Lý do thực hiện đề tài:
Tiềm năng của công nghệ SPIF trong việc tạo hình sản phẩm tấm rất cao. Tuy
nhiên công nghệ này vẫn còn một số hạn chế nhất định. Góc tạo hình bị giới hạn là
khuyết điểm lớn nhất làm giảm khả năng công nghệ của SPIF. Ngoài ra do dụng cụ
tạo hình trong quá trình gia công luôn song song với trục Z nên hạn chế khả năng
tiếp cận các bề mặt của các sản phẩm phức tạp,
Để khắc phục các hạn chế trên ta có thể thực hiện gia công SPIF trên máy
CNC 5 trục hoặc các robot chuyên dùng. Tuy nhiên, việc này sẽ làm cho giá thành

của sản phẩm tăng lên một cách khá đáng kể.
Việc điều chỉnh dụng cụ trong quá trình gia công này có thể được thực hiện
bằng điều khiển cho trục dụng cụ vuông góc với bề mặt gia công để khả năng tiếp
xúc của dụng cụ với bề mặt gia công là tốt nhất. Vậy nên ý tưởng thực hiện đề tài là
điều khiển trục dụng cụ để tăng khả năng tạo hình của công nghệ SPIF trên máy
CNC 3 trục.

9


CHƯƠNG 1

GVHD: TS.Lê Khánh Điền

1.4. Mục tiêu luận văn:
Mục tiêu của luận văn là tập trung vào việc thiết kế cụm xoay trục dụng cụ. Cụm
lắp dụng cụ cải tiến này nhằm mục đích hỗ trợ cho máy CNC 3 trục trong việc gia công
kim loại tấm bằng phương pháp SPIF.
1.5. Nhiệm vụ luận văn:
 Khảo sát tình hình nghiên cứu công nghệ SPIF tại Việt Nam và thế giới.
 Đề ra phương án và chọn phương án thuyết phục nhất.
 Tính toán động học, động lực học máy.
 Tính bền và thiết kế.
1.6. Phạm vi luận văn :
 Luận văn chỉ dừng lại ở việc thiết kế kết cấu cơ khí và phần điều khiển cụm
xoay dụng cụ tạo hình.
 Phần cơ khí được thiết kế theo dạng module , các chi tiết tiêu chuẩn có sẵn
sẽ được chọn mua nhằm đảm bảo độ chính xác trong quá trình gia công.

10

CHƯƠNG 2

GVHD: TS.Lê Khánh Điền

Chương 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN VÀ ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG ÁN
THỰC HIỆN.
2.1. Xây dựng phương án:
2.1.1. Phương án 1:

Hình 2. 1: Phương án 1.
Nguyên lý:
Khi 2 động cơ xoay truyền chuyển động qua thanh truyền làm cho mặt phẳng
xoay hợp với trục dụng cụ theo góc mong muốn.
Đặc điểm:
 Mô hình nhỏ gọn.
 Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo.
 Dễ tháo lắp gá đặt trên máy.
 Độ cứng vững thấp, khó cân bằng.

11


CHƯƠNG 2

GVHD: TS.Lê Khánh Điền

2.1.2. Phương án 2:

Hình 2. 2: Phương án 2.
Nguyên lý:
Khi động cơ số 4 quay 1 góc α thì khung đỡ động cơ số 1 cũng quay 1 góc α kết
hợp với động cơ số 1 làm cho bàn xoay hợp với trục dụng cụ theo góc mong muốn.
Đặc điểm:
 Mô hình lớn.
 Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo.
 Dễ tháo lắp gá đặt trên máy.
 Độ cứng vững cao.
 Góc quay của mặt phẳng quay nhỏ.

12


CHƯƠNG 2

GVHD: TS.Lê Khánh Điền

2.1.3. Phương án 3:

Hình 2. 3: Phương án 3.
Nguyên lý:
Động cơ 1 và 7 xoay làm cho bàn xoay và trục dụng cụ quay àm cho trục dụng
cụ nằm ở vị trí mong muốn.
Đặc điểm:
 Mô hình lớn.
 Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo.
 Việc lắp ráp trên bàn máy và trục dụng cụ khó hơn.
 Độ cứng vững tương đối.

13


CHƯƠNG 2

GVHD: TS.Lê Khánh Điền

2.1.4. Phương án 4:

Hình 2. 4: Phương án 4.
Nguyên lý:
Động cơ số 4 và động cơ số 1 quay làm cho trục dụng cụ nằm ở vị trí mong muốn.
Đặc điểm:
 Mô hình lớn.
 Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo.
 Dễ tháo lắp gá đặt trên máy.
 Độ cứng cao.
 Góc quay của mặt phẳng quay nhỏ.

14


CHƯƠNG 2

GVHD: TS.Lê Khánh Điền

2.2. Đánh giá phương án :
Tiêu chí đánh giá

Thấp

Trung
bình

Cao

Độ cứng vững

1

3

6

Độ ổn định

1

3

6

Góc quay

1

3

6

Khả năng điều khiển

1

3

6

Kết cấu, độ phức tạp

1

3

6

Thẩm mỹ
1
3
Bảng 2. 1: Bảng tiêu chí đánh giá phương án.

6

Bảng đánh giá:
Tiêu chí đánh giá Phương án 1

Phương án 2

Phương án 3

Phương án 4

Độ cứng vững

1

3

3

3

Độ ổn định

3

3

3

3

Góc quay

3

3

6

6

Khả năng điều
khiển

3

3

3

3

Kết cấu, độ phức
tạp

6

3

3

6

Thẩm mỹ

3

3

3

3

Tổng điểm

19
18
21
Bảng 2. 2: Bảng đánh giá các phương án thực hiện.

24

Dựa vào bảng 2.2 so sánh ta thấy phương án 4 là tốt nhất, nên chọn phương án 4.

15


CHƯƠNG 3

GVHD: TS.Lê Khánh Điền

Chương 3: TÍNH TOÁN LỰC TẠO HÌNH VÀ THIẾT KẾ PHẦN CƠ
KHÍ.
3.1. Tính toán lực tạo hình:
Khả năng làm biến dạng vật liệu tấm của phương pháp SPIF phụ thuộc vào lực tạọ
hình ta tác động lên vật liệu tấm thông qua đầu dao, do đó việc xác định được lực tạo
hình trong phương pháp SPIF là điều cần thiết để tiến hành thiết kế.
Việc tính toán các thành phần lực trong quá trình gia công sẽ dựa vào mô hình lý
thuyết đơn giản để định các thành phần tạo hình trong ISF được đề xuất bởi Iseki[6].

Trong phần dưới, mô hình sau cùng được mở rộng để xem xét tính đàn hồi không đẳng
hướng. thành phần tải trọng Fx và Fz được cho như sau :
Fx = Ft(1-cosα)
Fz = Ftsinα
Trong đó Ft và α biểu diễn lực kéo và góc tiếp xúc .Dạng hình học của góc tiếp xúc
được cho trên hình :
λ= 90o – α

16


CHƯƠNG 3

GVHD: TS.Lê Khánh Điền

Hình 3. 1: Các thành phần lực theo tài liệu [6].
Chúng ta tập trung tính toán lực kéo Ft vì nó phụ thuộc vào tính chất vật liệu bao
gồm tính đàn hồi không đẳng hướng .Sự kéo giãn đều của kim loại dưới điều kiện biến
dạng phẳng được thừa nhận ,bỏ qua ứng suất uốn và ma sát.Lực kéo F t được tính toán
xắp xỉ bằng :
Ft = Aσx= 2Rtσx
Trong mặt cắt ngang của dải đã tạo hình, thành phần ứng suất bán kính dụng cụ và
chiều dày tấm t lần lượt được kí hiệu σ x ,R,t.Giả thiết rằng thành phần ứng suất theo
chiều dày tấm σt và thành phần biến dạng εy nhỏ không đáng kể(trục y vuông góc với
hướng di chuyển của dụng cụ).
Do vật liệu không nén được nên tính chảy dẻo ε t= -εx.Tiêu chuẩn chảy dẻo phi bậc
hai Hill có thể được nhấn mạnh trong trường hợp của điều kiện biến dạng phẳng và dị
hướng như :

1

 
x  y
2(1

R
)
a


m



1  2 Ra
 x  y
2(1  Ra )

1

m

m



Với  là ứng suất tương đương.
Theo tài liệu [5] với giả thiết  y = 0 và  >0 với tiêu chuẩn Hill bậc 2 (m=2),biểu
thức của lực kéo sẽ có dạng :
17

CHƯƠNG 3

GVHD: TS.Lê Khánh Điền

 1  Ra 
Ft  2 RK 

 2(1  R ) 
a 


n 1

to e x  xn

Trong đó:
R là bán kính dụng cụ (mm).
K hệ số bền (MPa).
n hệ số mũ.
Ra hệ số dị hướng thường.
to chiều dày tấm ban đầu.
εx thành phần biến dạng theo phương x.
Dựa vào công thức để tính toán lực kéo Ft để tạo hình tấm kim loại từ vật liệu Inox
304 với chiều dày to=2mm với hệ số bền K=1275MPa và hệ số mũ n=0.45 .Với dụng
cụ gia công có d=5mm và chiều sâu 1 lần cắt h= 1mm.Xem vật liệu là đẳng hướng Ra=1.
x 

1


ln(cos  )

1
 0.51

 0.0025  0.001  
ln  cos 

0.001




 1  Ra 
Ft  2 RK 

 (1  2 R ) 
a



n 1

to e x  xn

 11 
Ft  2  0.0025 1275  
 (1  2 1) 



0.451

 0.002  e0.51  0.510.45  6965.69 N

Fx  Ft  1  cos    6965.69  (1  0.6)  2786.28 N
Fz  Ft  sin   6965.69  sin  53o13'  5572.56 N

Nếu vật liệu kim loại là thép carbon thấp chiều dày to=4mm với hệ số bền
K=530MPa và hệ số mũ n=0.26. Với dụng cụ gia công có d=5mm và chiều sâu 1 lần
cắt h= 1mm, Ra=1.
x 

1

ln(cos  )

1
 0.51

 0.0025  0.001  
ln  cos 

0.001




18

CHƯƠNG 3
 1  Ra 
Ft  2 RK 

 (1  2 R ) 
a



GVHD: TS.Lê Khánh Điền
n 1

to e  x  xn

 11 
Ft  2  0.0025  530  
 (1  2 1) 



0.26 1

 0.004  e0.51  0.510.26  6402 N

Fx  Ft  1  cos    6402  (1  0.6)  2560.8 N
Fz  Ft  sin   6402  sin  53o13'  5121.59 N

Ta sẽ sử dụng các giá trị lực tạo hình Fx=2786.28N và Fz=5572.56N cho việc tính
toán kết cấu cụm dao cải tiến.

19