Nghiên cứu công nghệ chế tạo chi tiết chân tiếp điểm điện tử bằng công nghệ ép chảy micro kết hợp với nguồn năng lượng siêu âm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGÔ ĐĂNG THÁI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CHI TIẾT CHÂN TIẾP ĐIỂM ĐIỆN
TỬ BẰNG CÔNG NGHỆ ÉP CHẢY MICRO KẾT HỢP VỚI NGUỒN NĂNG
LƯỢNG SIÊU ÂM

CHUYÊN NGÀNH KĨ THUẬT CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH KĨ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS: Nguyễn Đắc Trung

Hà Nội – Năm 2018


Danh mục hình vẽ
Hình 1.1. Các chi tiết được lắp ráp trong các sản phẩm lĩnh vực cơng nghệ điện
tử
Hình 1.2. Một số sản phẩm chân tiếp điểm được chế tạo bằng cơng nghệ micro
forming
Hình 1.3. Sơ đồ dập vuốt
a. Ngun cơng đầu; b. Ngun cơng tiếp theo
Hình 1.4. Một số sản phẩm được tạo bởi công nghệ dập vuốt micro
Hình 1.5. Sản phẩm của quá trình uốn micro
Hình 1.6. Biên dạng, lực và moment của quá trình uốn trong khn và uốn tự do
Hình 1.7. Sơ đồ lực tác dụng khi uốn
Hình 1.8. Quan hệ giữa góc đàn hồi và bán kính uốn tương đối

Hình 1.9. Bulong, đai ốc được tạo bởi quá trình chồn
Hình 1.10. Một số linh kiện điện tử có kích thước siêu nhỏ được tạo bởi q
trình chồn
Hình 1.11. Sơ đồ giải thích q trình dập thể tích
Hình 1.12. Sơ đồ ngun lí dập thể tích trong khn kín
Hình 1.13. Một số sản phẩm của phương pháp dập thể tích trên khn kín
Hình 1.14. Một số sản phẩm được tạo ra bởi công nghệ dập nổi
Hình 1.15. Một số linh kiện điện tử được sản xuất nhờ cơng nghệ dập nổi
Hình 1.16. Khn và thiết bị dập nổi.
Hình 1.17. Sơ đồ ngun lí ép chảy
Hình 1.18. Sự biến dạng không đồng đều trong nguyên công ép chảy
Hình 1.19. a.Kết cấu của bộ khn ép chảy micro; b. Chi tiết tiếp điểm điện tử
Hình 1.20. a. Máy ép micro; b. Máy và khuôn cắt uốn liên tục
Hình 1.21. Một số kết cấu khn dập các chi tiết siêu nhỏ
Hình 1.22. Máy ép micro sử dụng tay gạt
Hình 1.23. Máy dập siêu nhỏ của cơng ty Masmicro
Hình 1.24. Máy ép chảy NU và một số sản phẩm ép với các đường kính:1.2
mm, 0.8 mm, 0.48mm
Hình 1.25. Máy ép chảy có hệ thống gia nhiệt
Hình 1.26. Khn micro thực hiện bằng phương pháp vi gia công


Hình 1.27. Khn được phay vi mơ với các phần tử micro (phần tử nhỏ nhất:
0.05 mm; nhám bề mặt Ra < 0.15 !")
Hình 1.28. Lỗ và bánh răng 2 bậc được gia cơng bằng micro EDM
Hình 1.29. Mũi khoan có đường kính 0,25mm và ảnh lưỡi cắt phóng to
Hình 1.30. Cơng nghệ khắc laser 3D
Hình 1.31. Ngun lí điều chỉnh góc khắc của chùm tia laser. Góc nghiêng của
chùm tia laser thơng thường là từ 15 - 200
Hình 2.1. Ảnh hưởng của kích thước hạt tới độ bền kéo

Hình 2.2. Đường con chảy của CuZn30 theo kích thước tương đối – đường kính
phơi
Hình 2.3. Đường cong chảy của CuZn30 theo kích thước tương đối – chiều dày
phơi
Hình 2.4. Ảnh hưởng của kích thước hạt
Hình 2.5. Mơ hình tiếp xúc giữa phơi và khn trong dập micro
Hình 2.6. Đồ thị lực với các vận tốc
Hình 2.7 Sơ đồ ép chảy có sử dụng sóng siêu âm
Hình 2.8 Bề mặt tiếp xúc phơi-khn khi có tác động của sóng siêu âm
Hình 2.9. Khu vực tiếp xúc giữa phơi và khn
Hình 2.10. Bề mặt sản phẩm được tạo thành trong trường hợp khơng sử dụng
sóng siêu âm và có sử dụng sóng siêu âm
Hình 2.11. So sánh lực dập khi khơng có sự tác động của sóng siêu âm và có sự
tác dụng của sóng siêu âm trong ngun cơng ép chảy
Hình 2.12. Sự gia tăng nhiệt độ trên bề mặt chi tiết do ảnh hưởng của sóng siêu
âm
Hình 3.1. Vùng biến dạng trong mơ hình ép chảy
Hình 3.2. Ưu điểm của mơ phỏng số
Hình 3.3. Giao diện phần mềm Deform-3D v10.0
Hình 3.4. Chi tiết tiếp điểm trong cơng nghiệp điện tử
Hình 3.5. Mơ hình 3D chi tiết tiếp điểm điện tử
Hình 3.6. Thơng số về thể tích chi tiết tiếp điểm điện tử
Hình 3.7. Mơ hình phơi (a), chày (b), cối (c)
Hình 3.8. Đường cong chảy của vật liệu đồng [13]
Hình 3.9. Thiết lập đường cong chảy của vật liệu đồng trong phần mềm
Deform-3D


Hình 3.10. Chia lưới phần tử cho phơi
Hình 3.11. Nhập mơ hình chày

Hình 3.12. Thiết lập hướng di chuyển của chày
Hình 3.13. Thiết lập tốc độ chày
Hình 3.14. Nhập mơ hình cối
Hình 3.15. Thiết lập hệ số ma sát giữa phơi và khn
Hình 3.16. Q trình biến dạng của chi tiết tiếp điểm điện tử khi ép chảy
Hình 3.17. Biểu đồ lực ép phụ thuộc hành trình chày trong quá trình ép chảy chi
tiết tiếp điểm điện tử
Hình 4.1. Sơ đồ dây chuyền sản xuất
Hình 4.2. Ngun lí hoạt động của máy
Hình 4.3. Cối ép chảy
Hình 4.4. Gia cơng chày cối bằng phương pháp xung điện
Hình 4.5. Chày
Hình 4.6. Dẫn hướng của khn
Hình 4.7. Định vị cơn
Hình 4.8. Kết cấu bộ khn ép chảy tiếp điểm điện tử
Hình 4.9. Cơ cấu cặp bằng chêm dùng cho phôi băng và phôi trịn
Hình 4.10. Cơ cấu má kẹp
Hình 4.11. Một số dạng đĩa cấp phơi
Hình 4.12. Hệ thống cấp phơi rung thực tế
Hình 4.13. Hệ thống cấp phơi kiểu rung
Hình 4.14. Cơ cấu vịi hút chân khơng
Hình 4.15. Sơ đồ phễu cấp phơi rung động
Hình 4.16. Kết cấu định hướng phơi trên rãnh xoắn
Hình 4.17. Bộ phận lọc phơi
Hình 4.18. Phễu cấp phơi kiểu rung tự động
Hình 4.19. Một số kiểu máng dẫn phơi
Hình 4.20. Máng dẫn phơi
Hình 4.21. Hệ thống cấp phôi của máy

Lời cam đoan
Tên tôi là Ngô Đăng Thái – học viên lớp Cao học Kĩ thuật cơ khí – khố 2017A
– Viện Cơ Khí – Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc
sỹ khoa học này do tôi tự làm, không sao chép nguyên bản của ai. Các nguồn tài
liệu sử dụng trong luận văn do tôi thu thập và dịch từ các tài liệu chuẩn nước
ngoài, số liệu được sử dụng là số liệu thực tế, khơng bịa đặt.
Nếu có bất cứ sai phạm nào tôi xin chịu trách nhiệm trước hội đồng tốt nghiệp và
nhà trường
Học viên cao học
Thái
Ngô Đăng Thái


MỤC LỤC
Chương 1: Tổng quan các công nghệ dập micro
1.1 Sơ lược về các loại hình cơng nghệ dập micro
1.1.1 Dập vuốt
1.1.2 Uốn
1.1.3 Chồn
1.1.4 Dập thể tích
1.1.5 Cơng nghệ dập nổi
1.1.6 Công nghệ ép chảy
1.2 Sơ lược về thiết bị và khuôn dập micro
1.2.1 Thiết bị và khuôn trong nguyên công ép chảy
1.2.2 Các phương pháp gia công khuôn micro ( vi gia công )
1.3 Kết luận chương 1
Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình dập micro
2.1 Ảnh hưởng của kích thước hạt
2.2 Ảnh hưởng của ma sát
2.3 Ảnh hưởng của tốc độ

2.4 Ảnh hưởng của sóng siêu âm
2.4.1 Sự gia tăng nhiệt độ do ảnh hưởng của sóng siêu âm
trong ngun cơng ép chảy thuận
2.4.2 Sự thay đổi bề mặt sản phẩm khi có tác động của sóng
siêu âm
2.5. Kết luận chương 2
Chương 3: Nghiên cứu mơ phỏng số q trình biến dạng, tối
ưu cơng nghệ dập các chi tiết có kích thước siêu nhỏ
3.1 Phân tích q trình biến dạng của chi tiết trong q trình
ép chảy
3.2 Mơ phỏng q trình ép chảy thuận nghịch micro
3.2.1 Mơ phỏng vật lí
3.2.2 Mơ phỏng số và cơng nghệ ảo
3.3 Ứng dụng phần mềm Deform-3D trong dập tạo hình
3.3.1 Mơ phỏng q trình ép chảy tiếp điểm điện tử bằng
phần mềm Deform-3D
3.3.2 Các bước tiến hành mô phỏng
3.3.3 Phân tích kết quả mơ phỏng
3.4 Kết luận chương 3

Trang
2
2
4
7
7
10
10
11
17

19
20
26
27
27
29
30
31
32
35
37
38
38
46
46
46
48
49
53
55
66


Chương 4: Thiết kế khuôn dập và các thiết bị phụ trợ
4.1 Thiết lập dây truyền chế tạo tổng thể
4.2 Khuôn và thiết bị phụ trợ
4.2.1 Vật liệu làm khuôn
4.2.2 Kết cấu khn
4.3 Tính tốn, thiết kế cơ cấu cấp phôi tự động
4.4.1 Giới thiệu chung về cơ cấu cấp phôi tự động

4.4.2 Thiết kế cơ cấu cấp phôi tự động cho hệ thống
4.5 Kết luận chương 4
Kết luận

67
67
68
68
69
72
72
76
81
82


LỜI MỞ ĐẦU
Việc sản xuất các chi tiết siêu nhỏ đang ngày càng trở nên quan trọng và
cần thiết trong nhiều lĩnh vực, từ điện tử, máy tính đến các dụng cụ và thiết bị
phẫu thuật. Trước đây, các chi tiết này thường được chế tạo bằng phương pháp
gia công cắt gọt tuy nhiên với yêu cầu về năng suất và độ chính xác cao, phương
pháp phù hợp nhất được đưa ra là tạo hình bằng phương pháp gia cơng áp lực.
Tuy nhiên, phương pháp này hiện còn gặp nhiều khó khăn trong việc chế tạo
thiết bị, quản lí kích thước, các phương pháp làm nhỏ hạt kim loại… Những hạn
chế trên khiến việc áp dụng quy trình này trong sản xuất gặp rất nhiều khó khăn,
việc thực hiện phụ thuộc vào sự hiểu biết và cách khắc phục của người thao tác.
Nghiên cứu này bao gồm ảnh hưởng của các yếu tố trong cơng nghệ tạo hình
các chi tiết có kích thước siêu nhỏ, trình bày phương pháp hỗ trợ việc tạo hình
các chi tiết đó bằng cách sử dụng dao động siêu âm trong nguyên công ép chảy.
Mặc dù cơng nghệ dập tạo hình có sử dụng sự hỗ trợ của sóng siêu âm đã được

áp dụng tại các nước phát triển và một số lợi ích đã được đưa ra như giảm lực
dập, giảm ma sát giữa phôi và khuôn, tăng chất lượng bề mặt chi tiết nhưng cơ
chế giải thích những lợi ích này chưa được hiểu một cách rõ ràng và cụ thể. Mục
tiêu chính của đề tài này là phát triển một mơ hình phân tích để xác định rõ ảnh
hưởng của dao động siêu âm trong q trình ép chảy micro từ đó đưa ra những
nhận định giúp người đọc có thể hiểu rõ hơn tác dụng của sóng siêu âm trong
việc tạo hình kim loại.
Để nghiên cứu các ảnh hưởng của sóng siêu âm trong quá trình ép chảy
micro, phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để mô phỏng quá trình ép
chảy. Ngồi ra, việc phân tích tham số được tiến hành để tối ưu hố cơng cụ cho
các thí nghiệm sau này. Sóng siêu âm làm tăng nhiệt độ phôi khiến việc biến
dạng trở nên dễ dàng hơn, tải trọng hình thành giảm ngồi ra nó cịn giúp cải
thiện chất lượng bề mặt chi tiết được tạo thành.
Nhìn chung, dựa vào những tính tốn cùng kết quả mơ phỏng ta có thể nhận thấy
các dao động siêu âm đem lại rất nhiều lợi ích trong q trình ép chảy micro.


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ DẬP MICRO
1.1. Sơ lược về các loại hình cơng nghệ dập micro
Định nghĩa: Chi tiết micro là những chi tiết có kích thước nhỏ từ một vài chục
µm đến một vài mm, trong cơng nghệ chế tạo được gọi là các chi tiết siêu nhỏ.
Chúng thường được chế tạo từ những kim loại, hợp kim màu và được sử dụng
rộng rãi trong ngành công nghiệp điện tử, tự động điều khiển, kĩ thuật đo, máy
tính và thiết bị di động. Các chi tiết siêu nhỏ thuộc nhóm các chi tiết có hình
dạng phức tạp, kích thước rất nhỏ nên chỉ có thể được chế tạo bằng cơng nghệ
dập tạo hình như cắt, đột, uốn từ phôi tấm hay công nghệ ép chảy, dập nổi, dập
khn kín với các đặc điểm tiết kiệm vật liệu, giảm số lượng ngun cơng, năng
suất và độ chính xác cao.
Một số sản phẩm của công nghệ micro forming [7, 11]

Hình 1.1. Các chi tiết được lắp ráp trong các sản phẩm
lĩnh vực công nghệ điện tử

Học viên: Ngô Đăng Thái – 17ACTM.KH

2


Hình 1.2. Một số sản phẩm chân tiếp điểm được chế tạo bằng
công nghệ micro forming
1.1.1. Dập vuốt
Dập vuốt là một trong những q trình quan trọng nhất trong cơng nghệ dập
tấm và nó có một ứng dụng tuyệt vời để tạo ra những sản phầm có biến dạng
phức tạp, thậm chí với những sản phẩm có kích thước rất nhỏ.
Các chi tiết được dập vuốt thường có hình dạng khác nhau và được chia thành
các nhóm như sau:
- Nhóm các chi tiết có hình dạng trịn xoay (đối xứng trục) ví dụ như đáy nồi
hơi, các chi tiết hình trụ, các bát đĩa kim loại…
Học viên: Ngô Đăng Thái – 17ACTM.KH

3


- Nhóm các chi tiết có dạng hình hộp như thùng nhiên liệu của động cơ, các loại
vỏ hộp, thiết bị đo…
- Nhóm các chi tiết có hình dạng phức tạp có một trục đối xứng hoặc khơng đối
xứng như các chi tiết vỏ ô tô, các chi tiết của máy kéo, máy bay…
Các chi tiết hình trụ có thể có chiều dày lớn hơn chiều dày thành như các
loại vỏ đạn, các loại bát đĩa kim loại có đáy dày… Đường kính của các chi tiết

hoặc chiều dày có thể từ vài milimet đến một vài mét và chiều dày có thể từ một
phần mười tới vài chục milimet.
Tuỳ theo chiều cao tương đối của chi tiết, người ta có thể dập một hay nhiều
ngun cơng để tạo ra chi tiết. Ở ngun cơng đầu phơi phẳng có đường kính D
được dập vuốt để tạo ra phơi rỗng có đường kính d1 và chiều cao h1. Ở các
ngun cơng sau phôi rỗng được tiếp tục dập vuốt nhằm mục đích tăng chiều
cao và giảm đường kính của phơi.

Hình 1.3. Sơ đồ dập vuốt
a. Nguyên công đầu; b. Nguyên công tiếp theo [2]

Hình 1.4. Một số sản phẩm được tạo bởi công nghệ dập vuốt micro
1.1.2. Nguyên công uốn
Uốn là một ngun cơng nhằm biến đổi các phơi có trục thẳng thành các chi
tiết có trục cong. Q trình uốn thường được sử dụng trong các sản phẩm thuộc
Học viên: Ngô Đăng Thái – 17ACTM.KH

4


hệ thống công nghệ micro (MST), trong các hệ thống cơ điện (MEMS), kẹp nối
hoặc tiếp điểm…

Hình 1.5. Sản phẩm của quá trình uốn micro

Hình 1.6. Biên dạng, lực và moment
của q trình uốn trong khn và uốn tự do [2]

Học viên: Ngô Đăng Thái – 17ACTM.KH

5


Hình 1.7. Sơ đồ lực tác dụng khi uốn
Do sản phẩm sau khi uốn có xu thế đàn hồi lại nên việc dự đốn lực uốn, kết
quả góc uốn trở nên rất khó khăn. Khi bán kính uốn tương đối nhỏ thì sau khi có
sự tiếp xúc giữa phơi và mặt bên của chày nếu chày tiếp tục đi xuống sẽ xảy ra
đồng thời q trình giảm bán kính uốn tại vùng tâm phơi và q trình nắn phần
cánh của nó. Sau khi bỏ ngoại lực, do biến dạng đàn hồi ở vùng tâm phơi tiếp
xúc với bán kính cong của chày làm góc uốn giữa các cánh uốn tăng lên nhưng
do sự nắn thẳng của các cánh uốn làm góc uốn giảm đi. Sự giảm góc uốn giữa
các cánh là khi bỏ tải trọng tác dụng, các lớp bị kéo của cánh uốn bị co lại, còn
các lớp bị nén giãn dài ra do đó góc uốn ban đầu sẽ bị giảm đi.

Hình 1.8. Quan hệ giữa góc đàn hồi và bán kính uốn tương đối [10]

Học viên: Ngơ Đăng Thái – 17ACTM.KH

6


1.1.3. Nguyên công chồn
- Chồn là một trong những phương pháp quan trọng nhất trong cơng nghệ
dập khối, nó có thể thuộc q trình tạo hình chính và cũng có thể là ngun cơng
thuộc q trình sơ bộ. Mục đích của ngun cơng chồn là làm tăng kích thước
tiết diện phơi theo hướng vng góc với lực tác dụng bằng cách làm giảm kích
thước của nó theo phương của lực tác dụng. [1]

Hình 1.9. Bulong, đai ốc được tạo bởi quá trình chồn

Hình 1.10. Một số linh kiện điện tử có kích thước siêu nhỏ
được tạo bởi q trình chồn
1.1.4. Dập thể tích
Dập thể tích là q trình phân bố lại kim loại phôi một cách cưỡng bức, làm điền
đầy các khoảng trống, có hình dáng gần giống với hình dáng chi tiết và được gọi
là các lịng khn. Khn dập là dụng cụ chủ yếu nhất trong dập thể tích. Khơng
phụ thuộc vào thiết bị, nó được chia làm 3 loại chính sau đây: Khn hở, khn
kín và khn ép chảy. Bản chất cơ học của quá trình biến dạng trong mỗi loại
khuôn là khác nhau nên chất lượng sản phẩm, tuổi thọ sản phẩm và độ bền khuôn
của chúng cũng khác nhau. Ta nghiên cứu các loại này một cách riêng biệt.

Học viên: Ngô Đăng Thái – 17ACTM.KH

7


a. Dập thể tích trên khn hở (có vành biên)
Đặc điểm cơ bản của dập thể tích trên khn hở là ở chỗ sản phẩm của nó
có vành biên bao quanh chu vi của mặt phân khuôn. Vành biên này có ý nghĩa
cơng nghệ đặc biệt và khn khơng thể thiếu nó được. Thiết bị chủ yếu để dập
bằng khn hở là máy búa và các loại máy ép.
Bản chất của q trình dập trên khn hở có thể giải thích bằng một ví dụ
đơn giản: dập một hình trụ có chiều cao HK và đường kính DK.

Hình 1.11. Sơ đồ giải thích q trình dập thể tích.
Q trình dập thể tích trên khn hở có những đặc điểm sau đây:
+ Khối lượng phơi có thể khơng chính xác nhưng kích thước của vật dập sẽ giống
nhau vì khi khối lượng của phơi lớn hơn u cầu thì lượng kim loại thừa có thể
chảy hết ra theo rãnh thốt biên.
+ Chiều chảy của kim loại thốt ra khỏi lịng khn vào các rãnh thốt biên

vng góc với chiều của lực tác dụng. Chiều dày vành khuôn giảm dần khi lực
dập tăng.
+ Thớ kim loại tại nơi cắt vành biên sẽ khơng liên tục.
+ Khối lượng kim loại ở trong lịng khn giảm dần đi trong q trình tăng lực
vì có một lượng kim loại chảy ra khỏi khuôn qua rãnh thốt biên.
Học viên: Ngơ Đăng Thái – 17ACTM.KH

8


b. Dập thể tích trên khn kín
Khn kín có thể dùng để dập thể tích trên máy búa, máy ép và máy rèn
ngang. Bản chất của quá trình dập thể tích trên khn kín có thể giải thích như
sau:

Hình 1.12. Sơ đồ ngun lí dập thể tích trong khn kín.
Mặc dù dập thể tích trên khn kín khơng có vành biên nhưng vì thể tích
phơi khơng bằng nhau, cho nên trong nhiều trường hợp vẫn có một lượng kim
loại nhỏ chảy vào các khe hở ở các mặt phân khuôn hoặc khe hở giữa cần đẩy
với khuôn tạo thành một lớp bavia nhỏ, thể tích của nó thay đổi tuỳ theo khối
lượng phơi.
Q trình dập thể tích trên khn kín có những đặc điểm sau:
+ Thể tích phơi khơng được thay đổi nhiều vì khơng có rãnh thốt biên nên kích
thước vật dập khơng đều nhau.
+ Một phần nhỏ kim loại chảy vào các khe hở của khuôn tạo thành bavia cùng
với hướng lực tác dụng, chiều dày lớp bavia này khơng đổi trong suốt q trình
dập.
+ Thớ kim loại trong vật dập không bị đứt đoạn như khi dập trên khn hở, vì
khơng phải cắt biên.

Học viên: Ngơ Đăng Thái – 17ACTM.KH

9


+ Sản phẩm được tạo sau quá trình dập trên khn kín có độ chính xác cao
Mỗi phương pháp dập đều có các ưu, nhược điểm riêng của chúng. Sử dụng
khn kín có những ưu điểm như chất lượng sản phẩm tốt, hệ số sử dụng vật
liệu rất cao so với dập trên khuôn hở tuy nhiên phương pháp này chưa được áp
dụng rộng rãi do những khó khăn trong việc tính tốn kĩ thuật.

Hình 1.13. Một số sản phẩm của phương pháp dập thể tích trên khn kín
1.1.5. Cơng nghệ dập nổi
a. Giới thiệu về công nghệ dập nổi
Trong q trình tạo hình hay hồn 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 ơ tơ, xe máy. In nổi lên bề mặt chi tiết, có thể
là nổi tên, dịng chữ, cũng có khi nổi logo và phức tạp hơn đó là nổi một họa tiết
mỹ thuật lên sản phẩm.

Hình 1.14. Một số sản phẩm được tạo ra bởi công nghệ dập nổi

Học viên: Ngô Đăng Thái – 17ACTM.KH

10


Ngồi những sản phẩm có kích thước vừa và lớn thì cịn có những sản phẩm
có kích thước rất nhỏ từ vài mm đến µm:

Hình 1.15. Một số linh kiện điện tử được sản xuất nhờ cơng nghệ dập nổi

Hình 1.16. Khuôn và thiết bị dập nổi.
1.1.6. Công nghệ ép chảy
a. Giới thiệu công nghệ ép chảy
Bản chất của công nghệ ép chảy như sau: Phôi được đặt vào trong cối chế
tạo gần giống như khn kín, nhưng có các lỗ thốt kim loại; khi chày tiến vào
lỗ cối thì kim loại bị biến dạng theo định luật trở lực biến dạng nhỏ nhất, một
phần kim được chảy ra ngoài lịng khn qua lỗ thốt, hầu như khơng có phế
liệu nếu như kích thước phơi chính xác.

Học viên: Ngơ Đăng Thái – 17ACTM.KH

11


Vật dập bằng phương pháp ép chảy gồm có 2 phần: Phần thân và phần chân.
Phần thân 1 nằm trong cối cho đến cuối cùng quá trình dập; phần chân 2 chảy ra
ngồi khn qua lỗ thốt.

a

b
Hình 1.17. Sơ đồ ngun lí ép chảy

a.
b.
1.
2.
3.

4.

Ép chảy cục bộ
Ép chảy tồn phần
Phần thân
Phần chân
Sản phẩm ép chảy toàn phần
Phế liệu
Phần chân của vật dập theo phương pháp ép chảy thường có tiết diện ngang
khơng đổi, phần thân có hình dạng hồn tồn giống với hình dáng của lịng cối
và mặt chày
Ép chảy có thể chia làm 2 loại: ép chảy tồn phần và ép chảy cục bộ. Ép
chảy toàn phần sản xuất ra các vật dập có tiết diện ngang khơng đổi, hầu hết khối
lượng phơi được ép chảy qua lỗ thốt của cối, phần còn lại trong cối phải cắt bỏ
đi thành phế liệu. Ép chảy cục bộ tạo ra sản phẩm có hai phần: Phần cịn lại trong
lỗ cối gọi là phần thân, thường có hình dáng phức tạp và phần được đẩy ra khỏi
lỗ cối gọi là phần chân có tiết diện ngang khơng đổi, cả 2 phần đều thuộc chi
tiết. Về nguyên tắc hai loại ép chảy này khơng có gì khác nhau.
Học viên: Ngơ Đăng Thái – 17ACTM.KH

12


So sánh với phương pháp dập trên khn kín và khn hở thì phương pháp
ép chảy có nhiều ưu việt như:
- Độ chính xác và độ bóng bề mặt chi tiết cao
- Khối lượng phơi có thể khơng cần chính xác nhưng chỉ làm thay đổi chiều dài
phần chân sản phẩm nên có thể cắt bỏ đi trong q trình gia công cơ chứ không
sợ quá tải khuôn như dập trên khn kín và chiều cao phần vật dập vẫn đảm bảo
đúng kích thước.

Bên cạnh những ưu điểm đó thì ép chảy vẫn tồn tại những nhược điểm cơ
bản như sau:
- Áp lực đơn vị cao nên lực tác dụng lên khuôn lớn
- Tuổi thọ khuôn thấp nhất là vị trí lỗ thốt kim loại
- Tiêu hao năng lượng cho quá trình biến dạng rất lớn
Các đặc điểm của phương pháp ép chảy là:
- Thể tích kim loại trong khn ln ln giảm trong q trình ép
- Tuy khơng tính tốn đến phế liệu nhưng trong q trình cắt phơi nếu thể thích
thừa thì phần chân sẽ dài hơn so với tính tốn. Có thể cắt bỏ phần thừa bằng
khn cắt, máy cắt hoặc cắt bằng máy công cụ trong khi gia cơng cơ.
- Sản phẩm ép chảy có chất lượng cao, khơng bị rạn nứt, khơng có lỗ hổng…do
khi ép chảy tính chất khối ( 3 chiều ) của trạng thái ứng suất rất rõ ràng.
Căn cứ vào đặc điểm công nghệ của ép chảy người ta phân ép chảy thành
nhiều loại như:
Ép chảy ngược
Ép chảy xuôi
Ép chảy nghiêng
Ép chảy hỗn hợp
b. Tính chất khơng đồng đều của độ biến dạng trong nguyên công ép chảy
Cho tới nay người ta vẫn chưa tìm ra cách tính độ biến dạng chung cho tồn
thể vật biến dạng trong ngun cơng ép chảy. Sở dĩ như vậy là vì đối với ngun
cơng này độ biến dạng của vật thể trong mỗi phần đều khác nhau. Đặc biệt là
đối với phần chân của sản phẩm.
Để chứng minh điều này người ta làm thí nghiệp ép chảy xuôi một phôi đã
bị bổ đôi trước, trên bề mặt tiếp xúc kẻ mạng lưới toạ độ bị thay đổi và đặc biệt
là khi quan sát các đường kẻ ngang phôi ta thấy chúng đều bị uống cong đi: độ
cong của các đường kẻ ngang và khoảng cách giữa chúng với nhau đều khác

Học viên: Ngô Đăng Thái – 17ACTM.KH

13


nhau (hình). Nếu dùng phương pháp kiểm tra độ cứng (do hoá bền) khi ép chảy
nguội để xác minh lại ta cũng thấy như vậy. Cần chú ý khi thí nghiệm là muốn
kiểm tra độ biến dạng ở giai đoạn nào thì ta kẻ lưới toạ độ ở giai đoạn ấy.
Riêng đối với phần chân, ta có thể căn cứ vào góc ! hợp bởi tiếp tuyến tại
mặt ngồi của đường kẻ ngang sau khi biến dạng bị cong đi so với vị trí ban đầu
của nó.
Để thấy được một cách cụ thể hơn ta đánh giá sự biến dạng không đồng đều
của phần chân sản phẩm ép chảy theo sự vuong góc của các đường ngang trong
mạng lưới toạ độ.

Hình 1.18. Sự biến dạng khơng đồng đều trong ngun cơng ép chảy
Căn cứ vào sự bố trí các đường cong nói trên ta thấy:
tc + a n+1 = tk + an
hoặc
an+1 –an = tk – tc
Lượng tăng tuyệt đối của độ cong các đường ngang trong mạng lưới toạ độ được
tính như sau: ∆# = tk – tc
Với:
an: khoảng cách từ đỉnh đến chân của đường ngang sau khi biến dạng bị uốn
cong đi tại đường kẻ ngang thứ n
tk: khoảng cách của 2 đường ngang liền nhau sau khi biến dạng
tc: khoảng cách 2 đỉnh đường ngang liền nhau
Đại lượng ∆# cịn gọi là độ biến dạng khơng đồng đều tuyệt đối. Muốn tính độ
biến dạng khơng đồng đều tuyệt đối ta chia ∆# cho khoảng cách ban đầu (trước
khi biến dạng) của hai đường ngang liền nhau trong mạng lưới toạ độ i0 hay
Học viên: Ngô Đăng Thái – 17ACTM.KH

%&
'(

.

14


Trên hình cịn biểu diễn tương quan giữa lượng biến dạng khơng đều đều trung
bình (đường 1) và lượng biến dạng không đồng đều cục bộ (đường 2). Đường
thẳng 1 được tính theo cơng thức:) =

*+,
*

Với F = -D M/4
f = -d2M/4
2

Đường cong 2 được xây dựng theo quan hệ: )M =

.+./
.

Với i là khoảng cách giữa các đường ngang trong mạng lưới toạ độ
Tại vùng A lượng biến dạng không đồng đều cục bộ nhỏ hơn lượng biến dạng
không đồng đều trung bình và vùng B ngược lại.
6.5. Cơng nghệ ép chảy micro

a

b
Hình 1.19. a.Kết cấu của bộ khn ép chảy micro; b. Chi tiết tiếp điểm điện tử
Trên đây là hình minh hoạ kết cấu bộ khn ép chảy với kết cấu đặc biệt
dùng trong công nghệ micro forming. Bộ khn bao gồm phần phần trên có thể
di chuyển theo hướng thẳng đứng, nơi mà chày được hỗ trợ bởi tấm đỡ trên và
có thể được điều chỉnh bởi các bulong bắt.
Biến dạng của sản phẩm được tạo ra bởi quá trình ép chảy bao gồm một ống
ở bên trong, được tăng cường bằng việc gia cố vòng. Ở hướng thẳng đứng, khuôn
được hỗ trợ bởi tấm đỡ dưới, trong đó phần đỡ sản phẩm cũng được thiết lập
một cách tuyến tính. Phần đỡ này có tác dụng chống lại hướng di chuyển của
chày và cho phép tách rời sản phẩm sau khi kết thúc quá trình ép chảy. Trong

Học viên: Ngô Đăng Thái – 17ACTM.KH

15


công nghệ ép chảy các chi tiết micro khuôn dưới có những lỗ nhỏ trong một ống
tương đối lớn mà khơng có giới hạn về kích thước bên ngồi. Các chày hoặc trục
gá thường có cấu trúc rất mảnh, nơi mà độ bền uốn là một trong các tiêu chuẩn
thiết kế cơ bản. Do đây là điều kiện tất yếu trong phạm vi micro, những yêu cầu
về việc chống lại sự ăn mòn về độ độ bền cũng như độ nén trong các chi tiết
chuyển động tăng đáng kể. Các yêu cầu chung trong công nghệ ép chảy như sau:
- Mặt phân cách giữa các phần phải được thiết kế dạng hình nón
- Thiết kế trục đối xứng của các bộ phận để cân bằng không đồng trục
Về thiết thế trong lĩnh vực micro có rất nhiều ngun tắc ví dụ như:
- Sử dụng số lượng chi tiết nhỏ nhất để giảm thiểu dung sai trong cả quá trình
lắp ráp
- Cơ cấu định vị sẽ tự điều chỉnh vị trí của chày và pin theo hướng ngang
- Chày có thể điều chỉnh tăng cường từng chiếc một

Các thiết kế đối xứng trục và tự điều chỉnh của ống đùn và sự kết hợp đồng trục
với chày rất quan trọng nhằm đáp ứng u cầu của q trình ăn khớp khn đặc
biệt đối với nguyên công ép chảy các chi tiết siêu nhỏ. Các bề mặt được thiết kế
dạng côn để loại bỏ khe hở lắp ráp, điều đó rất cần thiết cho khn. Ngồi ra cịn
có các phương pháp tiếp cận để tối ưu hố độ chính xác và q trình phun của
sản phẩm, điều mà rất phức tạp do khe hở nhỏ trong phạm vi micro bằng cách
sử dụng một áp lực nén và dụng cụ đột dập có thể giãn.
Ngồi các u cầu cơ bản về độ chính xác cao và độ bền của các dụng cụ,
trong công nghệ micro có các phương pháp tiếp cận cho các hệ thống cơng cụ
linh hoạt để có thể bao trùm tồn bộ biên dạng phơi. Mục đích của các hệ thống
đó là cung cấp cơng cụ với cấu trúc như những modun cho các phương pháp ép
chảy khác nhau hoặc kết hợp chúng với nhau. Về cơ bản có 3 loại thành phần
công cụ: các thành phần cơ bản, quá trình và các chi tiết cụ thể. Để giảm thời
gian thay cơng cụ, có thể sử dụng hệ thống cơng cụ thay đổi nhanh chóng, chẳng
hạn như sử dụng thiết bị kẹp để gắn các bộ phận chày.
Một yếu tố quan trọng khác của các công cụ là loại vật liệu được sử dụng.
Vật liệu thích hợp cho ép chảy phải đáp ứng yêu cầu của quy trình sản xuất nói
riêng và phải đáp dụng được cho các quy trình sau gia cơng sau đó. Dưới đây là
một số u cầu chính của hai nhóm vật liệu với trọng tâm là sản xuất dụng cụ và
quá trình dập tạo hình:
- Yêu cầu về vật liệu dụng cụ:

Học viên: Ngô Đăng Thái – 17ACTM.KH

16


+ Liên quan tới việc sản xuất dụng cụ:
. Đẳng hướng của cấu trúc vi mô
. Độ méo tối thiểu trong quá trình nhiệt luyện và ủ

. Khả năng chịu nhiệt
+ Ứng dụng trong quá trình dập tạo hình
. Giữ hình dạng
. Khả năng chịu mài mịn cao
. Khả năng chống lại q trình oxy hố và ăn mịn
. Khả năng chống lại sự nứt nóng và sốc nhiệt
. Có độ bền và khả năng chịu nhiệt cao
Vật liệu được sử dụng thường là thép cacbon được nhiệt luyện có độ cứng cao
(50 - 67 HRC) và độ bền uốn từ 2400 – 2800 MPa và áp suất phá huỷ từ 3000 –
4000 MPa. Bột thép luyện kim được sử dụng để đạt được độ đồng nhất vật liệu
cao và cấu trúc hạt cacbua tốt ( kích thước hạt từ 2 – 6 01 ) trong khi các dụng
cụ thép thơng thường có kích thước hạt từ 30 – 50 01. Đặc biệt, cường độ uốn
cao là rất cần thiết để chày trong công nghệ ép chảy micro đạt được độ bền cần
thiết do kích thước nhỏ và yêu cầu tỉ lệ độ dày.
e. So sánh sự khác biệt giữa công nghệ ép chảy chi tiết macro và micro
Macro
+ Trong trường hợp ép chảy nóng phơi được gia nhiệt ở bên ngồi trước khi đưa
vào trong khn ép
+ Khơng cần tính phơi q chính xác, sản phẩm sau khi ép có thể đem gia cơng
cơ để đạt kích thước u cầu
+ Có thể tạo ra các chi tiết dạng thanh dài vô hạn bằng việc liên tục cấp phôi vào
trong khn ép
Micro
+ Khơng thể gia nhiệt phơi ở bên ngồi khuôn. Phôi được gia nhiệt trong khuôn
bằng cách sử dụng chày bằng những vật liệu trong suốt như thuỷ tinh, saphia…
rồi nung phơi bằng tia laser
+ Bắt buộc phải tính phơi một cách chính xác, sản phẩm sau khi ép có độ chính
xác cao, có thể đưa vào sử dụng mà không cần gia công cơ
+ Không thể ép chảy các chi tiết dạng thanh dài vô hạn
1.2. Sơ lược về thiết bị và khuôn dập micro

Học viên: Ngô Đăng Thái – 17ACTM.KH

17


Thiết bị Microforming cũng tương tự như Macroforming, chúng chỉ khác về
tương quan kích thước. Thơng thường máy dập Micro dùng lực tác động bằng
tay hoặc hệ thống khí nén vì biến dạng trong micro nhỏ nhưng xét về tương quan
kích thước thì lực biến dạng trong micro lớn hơn rất nhiều biến dạng macro.
- Kích thước thiế bị micro nhỏ hơn rất nhiều so với thiết bị trong dập macro, có
những máy ép chỉ nhỏ bằng lịng bàn tay hoặc nhỏ hơn.
- Có thể cấp phơi tự động chính xác
- Tốc độ dập của máy dập micro lớn hơn rất nhiều so với dập macro, tốc độ có
thể đạt 20.000 nhát/phút
- Quy trình lắp ráp khn cực kì phức tạp do kích thước của khn nhỏ do đó
khi lắp khn có hệ thống camera hỗ trợ, đồng thời chúng ta cũng quan sát quá
trình biến dạng của vật liệu.

a
Hình 1.20. a. Máy ép micro;

b
b. Máy và khuôn cắt uốn liên tục

Hình 1.21. Một số kết cấu khn dập các chi tiết siêu nhỏ

Học viên: Ngô Đăng Thái – 17ACTM.KH

18