Nghiên cứu ứng dụng công nghệ spif (single point incremental forming) gia công tạo hình kim loại tấm trong công nghiệp
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.73 MB, 137 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----&&&-----
Bùi Bính Khiêm
Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ
SPIF (Single Point Incremental
Forming) gia cơng tạo hình kim loại
tấm trong cơng nghiệp.
CHUN NGÀNH: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. Hồ Chí Minh, Tháng 11 Năm 2009
ĐỀ TÀI ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Thanh Nam
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 1 :
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 2 :
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại :
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA
Ngày ……..tháng …….năm 2009
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC
----------------------------------------
--------------------------------------------------
Tp. HCM, ngày 25 tháng 11 năm 2009
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:
Bùi Bính Khiêm
Phái: Nam
Ngày tháng năm sinh:
01/05/1978
Nơi sinh: Phú Yên
Chuyên ngành: Cơng nghệ chế tạo máy
MSHV: 00407708
Khóa: 2007
1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ SPIF (Single Point Incremental
Forming) gia cơng tạo hình kim lọai tấm trong cơng nghiệp.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
− Tổng quan và lịch sử phát triển của phương pháp biến dạng gia tăng
− Thiết kế và chế tạo đồ gá cho quá trình sản xuất bằng công nghệ SPIF
− Ứng dụng công nghệ SPIF đề gia công một số sản phầm trong công nghiệp
− Đánh giá phân tích hiệu quả kinh tế gia cơng bằng công nghệ SPIF
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10 – 02 - 2009
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30 -11- 2009
5- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Thanh Nam
Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chun ngành thơng qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MƠN
(Họ tên và chữ ký)
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
PGS.TS Nguyễn Thanh Nam
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập tại trường nói chung cũng như trong quá trình thực hiện
luận văn này nói riêng em đã nhận được sự chỉ bảo tận tình và học hỏi được rất nhiều
kinh nghiệm kiến thức quý báu từ các thầy cô giảng viên Khoa Cơ khí trường Đại
Học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh, trước tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến
các thầy, cơ đã tận tình giúp đỡ em rất nhiều trong thời gian em nghiên cứu và thực
hiện luận văn.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn PGS. TS. Nguyễn
Thanh Nam đã trực tiếp giúp đỡ, hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi nhất để em
hoàn thành cuốn luận văn này.
Bên cạnh đó Em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến:
Trường Đại Học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh mà đặc biệt là phịng CNC Khoa
Cơ khí.
Ban giám hiệu và q thầy cô Trường Cao Đẳng Nghề Giao Thông Vận Tải
TW3.
Thầy ThS Lê Khánh Điền người đã hổ trợ, giúp đỡ và cung cấp một số tài liệu
có liên quan đến đề tài.
Ban Giám Đốc và cán bộ công nhân viên cơng ty BAVICO.
Các em sinh viên Khoa Cơ khí Trường Đại Học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh
Cuối cùng em cũng xin cám ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp, những
người đã giúp đỡ, động viên tinh thần cho em trong suốt quá trình học tập và thực hiện
luận văn.
Vì thời gian thực hiện đề tài khơng nhiều, kiến thức bản thân còn hạn chế, hơn
nữa đây là đề tài mới, ít tài liệu tham khảo nên chắc chắn khơng tránh khỏi những
thiếu sót. Kính mongq thầy, cơ đóng góp ý kiến để em hồn thiện hơn.
Học viên
Bùi Bính Khiêm
TĨM TẮT
Cơng nghệ tạo hình biến dạng gia tăng (ISF) đây là một loại hình kỹ thuật mới
trong tạo hình kim loại tấm đang được ứng dụng trong công nghiệp chế tạo, cơng
nghiệp hàng khơng, cơng nghiệp quốc phịng, y tế... sở dĩ được ứng dụng rộng rãi như
vậy là do có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại hình cơng nghệ khác: có thể cơ khí
hố, tự động hoá cao, giá thành sản phẩm hạ, tiết kiệm được nguyên vật liệu và tận
dụng được phế liệu
Công nghệ tạo mẫu nhanh kim loại tấm là một nhu cầu cấp thiết của lĩnh vực
kim loại tấm. Việc tạo mẫu chi tiết kim loại tấm phải tốn chi phí lớn do chi phí tạo
khn cao. Tuy nhiên, một cơng nghệ tạo hình kim loại tấm mới hiện nay là cơng nghệ
tạo hình gia tăng đơn điểm và cơng nghệ tạo hình gia tăng hai điểm đang là một lĩnh
vực được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới. Đây là phương pháp có tính mới và tiềm
năng ứng dụng cao. Đề tài này đang trong giai đoạn nghiên cứu ban đầu, chưa định rõ
một lý thuyết cụ thể nên em chọn đề tài luận văn là “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ
SPIF (Single Point Incremental Forming) gia cơng tạo hình kim lọai tấm trong công
nghiệp”.
Sau một thời gian nghiên cứu, luận văn đã đạt được kết quả như sau:
−
Thiết kế và chế tạo đồ gá cho quá trình sản xuất bằng công nghệ SPIF
−
Ứng dụng công nghệ SPIF đề gia công một số sản phầm trong cơng
nghiệp
−
Đánh giá phân tích hiệu quả kinh tế gia công bằng công nghệ SPIF
ABSTRACT
Incremental sheet forming technology (ISF) is a new technology in deforming
sheet metal and is being applied in manufacturing industry, aviation industry, defense
industry, medical... This technology is widely used because there are so many
outstanding advantages than other technology: machanizable, high automatization,
lower product cost, saving materials and to taking advantage of waste.
Rapid prototyping of sheet metal is an urgent demand of the sheet metal field.
Creating models of metal sheet needs a large amount of money due to high die cost.
However, a new deformation technology for sheet metal, including single point
incremental forming (SPIF) and two point incremental forming (TPIF) technology, is
presently a research field for many of the world. This technology has the novelty and
high application potential. It is currently studying at the initial stage, not defining a
specific theory, so I named the thesis topic "Research on applying technology (SPIF)
to process sheet metal product in industry”.
Some results were obtained during the research time:
-
Design and manufacture fixture used for SPIF technology.
-
Appling SPIF into some industrial products.
-
Analysis and evaluate the economic effects of SPIF technology in
manufacturing.
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thanh Nam
LỜI NĨI ĐẦU
Có thể nói rằng nền kinh tế nước ta nói riêng và nên kinh tế thế giới nói chung
đang trong giai đoạn cạnh tranh khốc liệt trước xu hướng toàn cầu hóa. Hiện nay nước ta
đã gia nhập WTO nhiệm vụ quan trọng nhất đặt ra trong thời kỳ tiếp cận với tự động hóa
và hiện đại hóa là sử dụng hiệu quả nhất các trang thiết bị hiện có và cải tiến cho tối ưu
hơn nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường. Để có thể cạnh tranh được thì các doanh nghiệp
cần phải cải tiến mẫu mã, chất lượng, tính toán thời gian sản xuất sao cho ngắn nhất nhằm
mang lại lợi nhuận cao nhất. Như vậy vấn đề đặt ra đối với các nhà thiết kế là phải tối ưu
tất cả các yếu tố kỹ thuật ngay trước khi cho sản xuất đại trà. Đối với tất cả các nước và
đang phát triển thì vấn đề gia cơng tạo hình kim loại tấm là một trong những nhu cầu góp
phần đưa đất nước tiến vào thời kì cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước. Như chúng
ta đã biết cơng nghệ tao hình kim loại tấm là một phần của công nghệ gia công kim loại
bằng áp lực nhằm làm biến dạng kim loại tấm để có hình dạng và kích thước mong muốn.
Đây là một loại hình công nghệ đang được ứng dụng trong ngành công nghiệp khác nhau
đặc biệt là trong các lĩnh vực kỹ thuật điện và điện tử, công nghiệp chế tạo, công nghiệp
sản xuất hàng tiêu dùng, y tế….và từ trước cho đến nay gia cơng tạo hình kim loại tấm
thường được chế tạo nhờ các dụng cụ đặc biệt gọi là khuôn dập. Ngày nay xu thế tồn cầu
hóa mạnh mẽ đã khiến cho thị trường tiêu thụ sản phẩm trở nên khắc nghiệt như đã nói ở
trên các nhà sản xuất không chỉ phải cạnh tranh với các đối thủ nội địa mà còn phải chịu
sức ép rất lớn từ các doanh nghiệp nước ngồi. Trong khi đó tính đa nghiệm của bài tốn
cạnh tranh ln đặt các nhà sản xuất đứng trước khó khăn để lựa chọn những phương án
sản xuất tối ưu thời gian chế tạo nhanh với công nghệ tiên tiến. Vì thế cơng nghệ tạo hình
biến dạng gia tăng mà cụ thể là công nghệ SPIF nhằm đáp ứng nhu cầu đó. Nó là một kỹ
thuật sản xuất bộ phận bằng tấm kim loại không cần khuôn phát triển gần đây và dần
được ứng dụng trong công nghiệp. Ngày này SPIF vẫn còn giai đoạn nghiên cứu ban đầu
và cần phát triển hơn nữa trước khi nó được sử dụng cho các ứng dụng công nghiệp kỹ
thuật này. Chính vì tính cấp thiết đó tơi quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng
công nghệ SPIF (Single Point Incremental Forming) gia cơng tạo hình kim loại tấm trong
cơng nghiệp”
HVTH: Bùi Bính Khiêm
4
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thanh Nam
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG KIM LOẠI TẤM BẰNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN
DẠNG GIA TĂNG
1.1. Các công nghệ gia công kim loại tấm
1.1.1.Lịch sử
Ở châu Âu, công nghệ gia công kim loại tấm ra đời từ thời kỳ đồ sắt, đồ đồng
nhưng đến thời Trung cổ mới có nhiều sản phẩm đa dạng phục vụ cho cuộc sống, cho
chiến tranh như ly, tách, thìa, dao, kiếm…các bộ áo giáp tinh xảo được lắp ráp với các
khớp động cho phép các người mặc cử động dễ dàng. Thời gian này thợ rèn kiêm luôn thợ
gò và được xem như một ngành nghề quyết định sự tồn vong của một xã hội: chế tạo vũ
khí. Vào các thời kỳ sau này như Phục Hưng, Cổ điển… sản phẩm chế tạo từ tấm kim loại
vẩn còn phát triển rất chậm vì chỉ phục vụ các dụng cụ gia đình hay chiến tranh do kỹ
nghệ cơ khí chưa phát triển và cũng chưa được nghiên cứu lý thuyết … Phải chờ đến thế
kỷ thứ 18 khi cuộc cách mạng kỹ nghệ cơ khí phát triển tại Anh và lan rộng trên thế giới
thì cơng nghệ gia cơng tấm mới được nghiên cứu, phát triển và đóng góp nhiều sản phẩm
đa dạng cho ngành cơ khí.
Ý tưởng về biến dạng gia tăng kim loại tấm với dụng cụ một điểm, cũng gọi là biến
dạng không khuôn, đã được đăng ký bằng phát minh bởi Leszak [3] trước khi nó có thể
thực hiện được về mặt kỹ thuật. Có rất nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này cho đến bây giờ.
Hiện nay, có những q trình mới nhờ đó kim loại tấm bị biến dạng dẻo tại một điểm có
thể tiến hành sản xuất linh hoạt về những sản phẩm phức tạp bằng kim loại tấm. Có thể
thực hiện nhiều loạt nhỏ trong một thời gian ngắn cũng như tạo mẫu nhanh trong vịng 1
ngày. Q trình mới này đơn giản vì gia cơng kim loại tấm có thể thực hiện trên máy phay
CNC 3 trục.
Miết (Spinning) là tiền thân của biến dạng kim loại tấm không đối xứng. Hagan và
Jeswiet [4] đã phác thảo quá trình cho một số quá trình biến dạng kim loại tấm mới nổi
HVTH: Bùi Bính Khiêm
5
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thanh Nam
lên, tất cả đều có nguồn gốc từ spinning, và tất cả đều có tiềm năng ứng dụng tạo mẫu
nhanh kim loại tấm.
1.1.2. Phân loại:
Trải qua một thời gian phát triển lâu dài ngành công nghệ kim loại mới được các
nhà khoa học nghiên cứu lý thuyết, phân loại dựa trên các đặc điểm gia cơng tạo hình.
Sau đây là các cơng nghệ gia cơng kim loại khối và tấm cổ điển có khn và khơng cần
khn:
• Khối
- Rèn (Forging): Thường gia cơng khối kim loại, nhưng cũng có thể gia cơng tấm
khi vật liệu quá cứng (rèn kiếm, dao, lưỡi liềm…). Công nghệ cổ điển này cần phải nung
vật liệu nóng đỏ để tăng tính mềm dẻo và giảm tính dịn, có 2 loại: rèn tự do trên đe
không cần khuôn và rèn khuôn, rèn khuôn hiện là phương pháp gia công không phôi hiện
đang sử dụng nhiều nhất trên thế giới để chế tạo phôi và cả các chi tiết máy chính xác có
thể đem ra sử dụng.
- Dập (Stamping) là cơng nghệ rèn khn đã được cơ khí hố, có 2 loại là dập
nóng và dập nguội. Dập tấm thường dập nguội cho năng suất cao nhất trong các phương
pháp gia công áp lực hiện nay. Khác với rèn khuôn cần đập liên tục nhiều lần còn dập chỉ
tác dụng lực một lần cho mỗi công đoạn là cho ra thành phẩm nên thường dùng nhiều cho
cắt hình các sản phẩm tấm mỏng hoặc dày.
Một vài quá trình biến dạng kim loại tấm truyền thống là dập, vuốt và ép. Những
quá trình này thường được sử dụng nhiều trong sản xuất công nghiệp. Phôi được kẹp chặt
tại các cạnh của nó; khi đó, phần chính giữa sẽ chịu lực tác động của chày xuống khuôn
để kéo giãn vật liệu đạt được hình dạng mong muốn. Một dạng khác, gọi là dập sâu bởi vì
chiều cao của chi tiết bị biến dạng, hình 1.1. Khe hở giữa chày và khn được phóng to
lên để minh họa. Trong trường hợp này tùy thuộc vào áp lực nén, phôi tấm sẽ được kẹp
chặt bởi tấm giữ.
HVTH: Bùi Bính Khiêm
6
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thanh Nam
Hình 1.1.Dập sâu
Trong sản xuất hàng loạt lớn, những phương pháp truyền thống như dập, vuốt,
ép,…mang lại hiệu quả cao vì thời gian tạo ra sản phẩm rất ngắn và chi phí cho chày với
khn lớn có thể được hỗ trợ bởi số lượng lớn sản phẩm. Tuy nhiên, đối với tao mẫu
nhanh và sản xuất loạt nhỏ thì thời gian gia cơng cũng như giá của khn với chày là q
cao.
• Tấm:
- Gị (Drawing, Spinning): Tạo hình dáng sản phẩm tấm bằng cách gây áp lực
nhỏ gần như điểm của búa, đe. Thường gị được thực hiện thủ cơng, nguội ở nhiệt độ
thường, cần thợ tay nghề cao, thường dùng cho sửa chữa (vỏ xe ơ tơ, đường ống khí
thải…) nói chung gị thủ cơng thường khơng cần dùng khn có hình dáng chính xác
giống thành phẩm mà chỉ cần dùng các gá, tấm tựa có hình dáng đơn giản.
- Vuốt, Lận, Dựng (Drawing) Tạo biến dạng kim loại từ từ dưới áp lực của con
lăn hay đầu điểm ép đè và trượt trên bề mặt tấm. Trong vuốt, phôi kim loại có thể quay
chậm để chạy dao khi sản phẩm có dạng trịn xoay. Dập sâu kết hợp vuốt có thể tạo các
sản phẩm đặc trưng mà không phương pháp nào có thể thay thế được như chai chứa oxy.
Thường dùng chế tạo các vật liệu mềm như nhôm dùng trong bếp núc, văn phịng. Chi tiết
cũng cần có chuyển động xoay và cần có khn mẫu để phơi ép tựa vào trong lúc định
hình: chế tạo được các chi tiết tròn xoay.
- Nong ép (Ironning) dùng chày ép vật liệu vào lịng khn với tốc độ đủ để tấm
kim loại ( có thể nguội hoặc nung nóng) biến dạng từ từ và có hình dáng của khn. Có
nhiều cơng nghệ ép khác nhau: Ép sâu, ép lại, ép vách
HVTH: Bùi Bính Khiêm
7
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thanh Nam
Có thể tóm tắt các phương pháp gia công áp lực theo bảng 1.1 sau đây:
Dùng Khn
Khơng khn
Nóng
Nguội
Nóng
Khối
Rèn, dập
Dập
Rèn
Tấm
Ép, dập
Ép, dập, miết
Rèn
Nguội
Gị, Dựng,
Miết
Miết dẻo (Shear forming)
Các phương pháp truyền thống trên là các phương pháp được sử dụng rộng rãi
trong cơng nghiệp. Ngồi các phương pháp trên cịn có cơng nghệ Miết (spinning). Miết
được xem là tiền thân của biến dạng kim loại tấm khơng đối xứng. Miết có thể phân loại
thành 3 loại cơ bản sau: miết thường (conventional spinning), miết dẻo (shear spinning)
và flow forming. Trong đó miết dẻo được xem là cơ sở của tạo hình gia tăng khơng đối
xứng nói chung và tạo hình gia tăng đơn điểm nói riêng vì có cơ chế biến dạng tương tự
nhau, tuy nhiên có khả năng làm tăng biến dạng của vật liệu hơn nhiều so với miết.
Hình 1.2. Miết truyền thống
HVTH: Bùi Bính Khiêm
8
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thanh Nam
Hình 1.3. Miết dẻo (shear forming)
Quá trình miết dẻo[Kobayashi et al., 1961] thường được xem là cơ sở của phương
pháp biến dạng gia tăng [ví dụ, Kim và Yang, 2000; Hagan và Jewiet, 2003]. u cầu chi
tiết có hình dạng đối xứng quanh trục với dụng cụ hay con lăn. Quá trình này tương tự
như tạo hình đất sét trên bàn xoay.
Quá trình miết truyền thống được minh họa trong hình 1.2, cùng với một số dạng
sản phẩm có thể được làm bằng phương pháp này. Trong q trình này, “phơi tấm phẳng
hay đã bị biến dạng hình trịn sẽ được giữ đối diện với trục miết và quay trong khi dụng
cụ miết cứng làm biến dạng và tạo hình cho vật liệu quay quanh vật đối xứng (mandrel).
Dụng cụ miết có thể được điều khiển bằng tay hay cơ cấu thủy lực được điều khiển bằng
máy tính. Q trình này trải qua một loạt pass và yêu cầu người đứng máy có tay nghề
cao. Miết truyền thống đặc biệt thích hợp với chi tiết có dạng hình cơn và dạng đường
cong, những hình khác có thể khó gia cơng hoặc khơng có tính kinh tế. Đường kính sản
phẩm có thể lên đến 6m. Mặc dù hầu hết quá trình miết diễn ra ở nhiệt độ phòng nhưng
đối với chi tiết dày hay kim loại có độ dẻo thấp hoặc ứng suất cao yêu cầu phải miết ở
nhiệt độ cao. Chiều dày thành của chi tiết biến dạng theo lý thuyết thì bằng với phơi ban
đầu.
Phù hợp hơn với phơi dày, q trình miết dẻo đạt được những kết quả khác so với
phương pháp miết truyền thống, minh họa như hình 1.3. Quá trình này tạo ra những sản
HVTH: Bùi Bính Khiêm
9
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thanh Nam
phẩm có dạng đường conic hay đường cong mà vẫn giữ được đường kính lớn nhất của chi
tiết và giảm chiều dày của sản phẩm. Có thể sử dụng một con lăn nhưng thường dùng 2
con lăn để cân bằng lực tác dụng lên tâm trục. Chi tiết điển hình là vỏ động cơ nổ hay mũi
của tên lửa. Đường kính lớn nhất của chi tiết có thể lên đến 3m. Q trình này bỏ đi ít vật
liệu và có thể hồn thành trong thời gian ngắn. Khả năng miết của kim loại được xác định
bằng chiều dày nhỏ nhất có thể giảm mà khi miết không bị rách.
Đối với miết, hạn chế lớn của phương pháp này là chỉ có thể giới hạn gia cơng các
chi tiết có hình dạng đối xứng. Đồng thời phương pháp này cũng khơng có tính linh hoạt
cao vì với mỗi sản phẩm ứng với một chày khác nhau. Tương tự như dập cũng phải tốn
chi phí cho chày và khuôn. Miết được xem cơ sở của cơng nghệ tạo hình gia tăng khơng
đối xứng
1.2. Tổng quan về gia công kim loại tấm bằng phương pháp SPIF
Một phân tích gần đúng cho tạo hình tấm gia tăng, dùng dụng cụ tạo hình đầu trịn,
được phát triển. Phương pháp gia tăng này đã được ứng dụng tạo thành vỏ mỏng khơng
đối xứng. Trong mẫu tạo hình được đưa ra để so sánh. Một cách gần chính xác, mẫu này
được gia cơng với đầu trịn của dụng cụ tiếp xúc một cách đều đặn với tấm kim loại. Ma
sát tại vị trí giao nhau giữa dụng cụ và tấm, tính khơng đẳng hướng mặt và tác động
Bauschinger của vật liệu tấm được bỏ qua. Sự ép tạo hình gần cho một lực căng đồng đều
và vỏ biến dạng được chỉ ra. Lực kéo giãn được quyết định từ điều kiện của phần không
biến dạng bị kéo di chuyển theo bởi độ cứng vững của vỏ. Và kết quả đạt được bởi phân
tích biến dạng gần đúng, phân tích FEM và những thí nghiệm thực tế có sai lệch rất ít.
HVTH: Bùi Bính Khiêm
10
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thanh Nam
1.2.1. Khái niệm về SPIF
Incremental Sheet metal Forming (ISF): Công nghệ mới này được gọi tên là tạo
hình kim loại tấm bằng biến dạng gia tăng lan rộng hay gia công bằng chày tác dụng
không đối xứng Asymetrical Point Incremental Forming (APIF) là một phương pháp tạo
hình tấm có hình dáng bất kỳ mà khơng dùng khn.
ISF hay APIF cịn phân biệt thành hai hình thức gia cơng khác nhau:
-
Two Point Incremental Forming (TPIF): tạo hình bằng biến dạng lan rộng do
2 điểm tác dụng trên 2 mặt của tấm (giống công nghệ miết có khn nhưng tấm khơng
xoay trịn mà chuyển động của chày sẽ tạo hình bằng cách đè miết tấm lên mặt khuôn).
Phương pháp này cần phải dùng khuôn nhưng chày thì đơn giản. (hình 1.4)
Hình 1.4 Sơ đồ tạo hình gia tăng 2 điểm (TPIF)
-
Single Point Incremental Forming (SPIF):
Phương pháp tạo hình gia tăng đơn điểm có thể thực hiện trên máy phay CNC 3
trục. Điều này bao gồm cả phần mềm CAD/CAM xuất đường chạy dao cho phép chế tạo
dễ dàng các chi tiết phức tạp. Trong tạo hình gia tăng đơn điểm khơng có khn, mặt dưới
của tấm không chịu tác động. Điều này tạo ra biến dạng và ứng suất khác với tạo hình gia
tăng hai điểm. Theo trình tự thời gian thì tạo hình gia tăng đơn điểm có sau tạo hình gia
tăng 2 điểm. Có thể thấy hiển nhiên rằng với bất kì máy CNC nào, cùng với phần mềm
HVTH: Bùi Bính Khiêm
11
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thanh Nam
xuất đường chạy dao, đều có thể được dùng để tạo hình chi tiết kim loại tấm. Có thể xem
những đặc tính trên là biến dạng khơng khn.
Hình 1.5. Tạo hình gia tăng đơn điểm (SPIF)
Hai phương pháp ISF trên khác nhau về bản chất và tính tốn:
- SPIF khơng dùng khn, kết cấu đồ gá và chuyển động đơn giản, giá thành hạ nhưng
bị giới hạn khơng thể tạo hình các chi tiết tấm vừa lõm vừa có vùng lồi.
- TPIF phải dùng khuôn, kết cấu đồ gá và chuyển động phức tạp, giá thành cao nhưng
phạm vi tạo hình rộng hơn có thể tạo hình các chi tiết tấm vừa lõm vừa có vùng lồi.
Q trình tạo hình tấm gia tăng được dựa trên nguyên tắc chế tạo phân lớp, tại đó
các cơng cụ hình cầu giản đơn được di chuyển dọc theo những đường dẫn công cụ được
điều khiển bằng số làm biến dạng tấm kim loại tăng dần hết phần này đến phần khác.
Không giống với các công nghệ tạo hình kim loại tấm trước đây, cơng nghệ tạo
hình kim lọai tấm bằng phương pháp biến dạng gia tăng không yêu cầu khuôn hoặc chày
để tạo ra các sản phẩm có hình dạng. Nó có thể được xem là một công nghệ tạo mẫu
nhanh trong kim loại tấm. Quá trình gia cơng tấm kim loại theo phương pháp này sử dụng
một dao hình cầu khơng có cạnh cắt có đường kinh được tính tốn phù hợp với sản phẩm
HVTH: Bùi Bính Khiêm
12
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thanh Nam
(chưa hoàn thiện nghiên cứu về dụng cụ). Tấm kim loại được kẹp trên khung đơn giản và
được gá chắc chắn trên bàn máy CNC 3 trục .
Trong suốt q trình gia cơng, dao hình cầu sẽ di chuyển theo đường chạy dao
được xuất từ dạng hình học hồn chỉnh của sản phẩm thơng qua một phần mềm CAM
truyền thống (Hình 1.6). Q trình biến dạng này là biến dạng cục bộ tại một điểm, các
miền khác của tấm kim loại không được chạm vào dụng cụ. Do đó nó được gọi là phương
pháp biến dạng gia tăng cục bộ.
Hình 1.6: Dạng hình học hồn chỉnh của sản phẩm
1.2.2. Các thơng số trong tạo hình tấm bằng phương pháp SPIF
Biến dạng gia tăng đơn điểm (Single Point Increment Forming SPIF) là một công
nghệ mới cho phép chế tạo ra một sản phẩm dạng tấm có hình dáng phức tạp trên máy
CNC bằng dụng cụ đơn giản. Phương pháp này có thể khơng cần dùng khn hay dùng
khn kết hợp có hình dáng đơn giản. Phôi tấm được kẹp chặt lên một khung đơn giản và
một dụng cụ hình chỏm cầu được dùng làm dao đè ép trên phơi (hình 1.7).
HVTH: Bùi Bính Khiêm
13
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thanh Nam
Hình 1.7. Thơng số gia công tấm bằng công nghệ SPIF
Các thông số ảnh hưởng đến khả năng biến dạng của tấm trong cơng nghệ SPIF:
1- Góc biến dạng α: là góc hợp bởi biên dạng vách phôi đang gia công và phương
ngang, là thông số chủ đạo cần nghiên cứu đến khả năng tạo hình của cơng nghệ
mới này.
2- Bề dày tấm ti trước khi gia công và sau khi gia công tf.
3- Module đàn hồi Et, Ec, hệ số Poisson νt, νc: thuộc tính của vật liệu phơi và
chày.
4- Độ nhám bề mặt sau gia công Rz hoặc Ra
5- D đường kính đầu dụng cụ
6- Vận tốc quay của dụng cụ n.
7- Lượng chạy dao F theo phương chu vi
8- Lượng ăn dao theo chiều sâu ∆z
HVTH: Bùi Bính Khiêm
14
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thanh Nam
1.2.3. Khả năng biến dạng của vật liệu:
Khả năng biến dạng của vật liệu được đặc trưng bởi góc biến dạng lớn nhất α.
Thơng số này đã được nghiên cứu, nó chịu ảnh hưởng bởi các thông số sau
Độ dày của tấm
Bề dày tấm kim loại có ảnh hưởng trên góc xuống dao lớn nhất. Theo định lý Sine
t = to.sinλ = tocosα, thì chiều dày tấm càng lớn thì góc α càng lớn, làm tăng khả năng tạo
hình.
Tốc độ quay trục chính
Tăng tốc độ quay trục chính (vịng/phút) có thể tăng khả năng tạo hình. Khả năng
tạo hình tăng lên do toả nhiệt cục bộ của tấm và sự giảm ma sát giữa dụng cụ tao hình và
phơi. Có một hạn chế, đó là dụng cụ sẽ bị mịn nhanh chóng và phải tăng thêm số lượng
chất bơi trơn, từ đó nảy sinh các vấn đề về an tồn và môi trường. Nếu vật liệu nhôm AA
1050-0 trong trường hợp này có khả năng tạo hình tương đối thấp thì một số vật liệu tạo
hình tốt hơn như AA8008-0 có thể dùng thay thế khi tốc độ trục chính yêu cầu.
Bước xuống dụng cụ
Kích thước xuống dụng cụ ∆z (độ dốc) có ảnh hưởng rõ ràng đến khả năng tạo
hình và độ nhám bề mặt. Khi tăng ∆z phần vật liệu không được gá phải chịu một những
điểu kiện biến dạng nặng nề. Một số nghiên cứu đã tiến hành những thử nghiệm tạo hình
trên tấm nhơm AA 1050-O dày 1 mm với hình dạng nón. Với cách này khả năng biến
dạng tấm giảm đi sau một chuỗi tăng ∆z. Kết quả được tóm tắt về FLD’s chỉ ra trong hình
1.8. Trong hình 1.8, một vùng giới hạn mà trong các lựa chọn tốt hơn cho các thông số kỹ
thuật đã được đánh dấu.
HVTH: Bùi Bính Khiêm
15
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thanh Nam
Đường kính dụng cụ
Một yếu tố quan trọng khác là đường kính dụng cụ. Trong khi dụng cụ có đường
kính nhỏ tập trung các vết nứt tại vùng biến dạng trên tấm dưới dụng cụ thì dụng cụ có
đường kính lớn phân phối các vết nứt trên một vùng mở rộng hơn. Khi đường kính dụng
cụ tăng lên, q trình càng giống với dập truyền thống. Việc giảm kích thước dụng cụ sẽ
tăng giới hạn tạo hình (hình 1.8). Khi đường kính dụng cụ giảm từ 30 đến 6 mm sẽ đạt
Biến dạng chính
được khả năng biến dạng cao hơn.
Biến dạng phụ
Chiều sâu bước, deltaz,mm
Hình 1.8: FLDo với các kích thước bước khác nhau, vật liệu dùng là nhơm AA 1050-0
Trong hình là đường biên trên và dưới với đường kính dụng cụ là 12 mm [ 8]
HVTH: Bùi Bính Khiêm
16
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thanh Nam
Sức căng thiểu số
Hình 1.9: FLD của DC04 độ dày t0 = 1,5 mm;
ảnh hưởng của kích thước dụng cụ tạo hình lên giới hạn tạo hình [8]
Thơng số vật liệu
Mỗi vật liệu có khả năng biến dạng khác nhau và các vật liệu khác nhau có các góc
biến dạng giới hạn khác nhau. Trong hầu hết các nguyên công trên tấm kim loại, khả năng
tạo hình bị giới hạn bởi sự cục bộ không ổn định. Một khi một cổ thắt được hình thành, sẽ
xuất hiện những chỗ tập trung ứng suất phát triển trên cổ thắt và dẫn đến việc tạo ra các
vết nứt gãy một cách nhanh chóng. Tuy nhiên, trong các ngun cơng tạo hình đã biết,
như uốn cong và dát thẳng các gờ thì các cổ thắt sẽ được khử và khả năng tạo hình bị chi
phối bởi sự tiến triển của các vết nứt và dải lực cắt không ổn định. Ngay cả khi sức căng
được trải đều trên vật liệu như trong tạo hình gia tăng đơn điểm, một sức căng rất lớn có
thể đạt được do các vết nứt có trước và dải lực cắt khơng ổn định này.
Một phân tích tổng quan đã được tiến hành để tìm hiểu mối quan hệ giữa khả năng
tạo hình kim loại và những đặc tính vật liệu khác. Kế hoạch thực nghiệm được tiến hành
trên nhiều loại vật liệu khác nhau, đặc biệt tận dụng các đặc điểm của máy tự động và
những ngành công nghiệp tạo hình tấm khác.
HVTH: Bùi Bính Khiêm
17
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thanh Nam
Như đã biết, các kết quả tạo hình đã được thơng qua các giá trị FLDo, trong khi đó
các giá trị thử nghiệm đã được hiệu chỉnh trong tất cả các thí nghiệm. Hình 1.11 là FLD
của tất cả các vật liệu trong bảng 1.1.
Bảng 1.1: Bảng vật liệu và đặc tính dùng để thử nghiệm sự liên hệ giữa khả năng
biến dạng với tạo hình biến dạng đối xứng.[8]
Hình 1.10: Biểu đồ FLD của các thông số vật liệu cho trong bảng 1.1[8]
HVTH: Bùi Bính Khiêm
18
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thanh Nam
Biểu đồ FLD khơng cho ta biết thơng số vật liệu nào có ảnh hưởng lớn hơn. Do đó,
một phân tích thống kê đã được tiến hành để tìm ra sự ảnh hưởng của các đặc tính vật liệu
ở bảng 1.1 lên khả năng biến dạng. Năm biến số (K, n, Rn, UTS, A%) là các thông số đầu
vào và đầu ra là các FLDo tương ứng cho mỗi nhóm năm giá trị cố định đó, với K là hệ số
biến cứng, n là hệ số hóa bền biến dạng, Rn là hệ số dị hướng, UTS là giới hạn bền, A% là
độ giãn dài. Mong muốn của việc phân tích nào là để xác định mỗi biến đầu vào ảnh
hưởng lên các thông số đầu ra như thế nào. Kết quả cho thấy những ảnh hưởng lớn nhất
lên khả năng biến dạng trong tạo hình gia tăng đơn điểm khơng đối xứng chính là hệ số
hóa bền biến dạng n (strain hardening coefficient). Thêm vào đó, hệ số hóa bền biến dạng
và hệ số biến cứng K (strength coefficient) của vật liệu cũng có ảnh hưởng rất lớn lên
nhau. Hệ số biến cứng và độ giãn dài cũng có ảnh hưởng lên khả năng biến dạng. Phân
tích thống kê cho ta một phương trình 6 chiều:[8]
FLDo = 8.64 – 36.2n – 0.00798K + 0.373Rn – 0.104A% + 0.0301 K.n + 0.607n A%
Những vật liệu đặc trưng và đặc tính vật liệu
Những vật liệu tấm thơng thường được sử dụng trong tạo hình gia tăng đơn điểm
không đối xứng là nhôm và thép. Nhơm và các hợp kim của nó rất hay dùng trong tạo
hình gia tăng chính nhờ vào sự giảm lực biến dạng. Đa số các thí nghiệm trên nhơm
(AA1100, AA3003, AA1050) đã được tiến hành để nghiên cứu khả năng biến dạng và
đặc tính vật liệu. Đối với AA1050 và AA3003. Các nhà nghiên cứu đã tìm ra những mẫu
tấm thích ứng cho vật liệu nhơm trên:
1050-0; to = 1,0 mm; σ = 111ε0,14
3003-0; to = 1,21 mm; σ = 152ε0,213
Do cần phải có lực biến dạng lớn hơn đối với thép nên chiều dày các tấm thép
dùng cũng bé hơn. Tuy nhiên, thép được dùng trong sản xuất có sử dụng phương pháp
biến dạng gia tăng bởi vì chúng có một vai trị quan trọng trong tạo hình tấm truyền
thống. Do đó, người ta cũng tập trung vào ứng dụng trên thép mềm và thép không rỉ.
Trong số các loại thép mềm, DC04 thường được dùng nhiều nhất do nó có khả năng biến
dạng cao và có nhiều ứng dụng rộng rãi. Trên thực tế đã chế tạo lưới và phần bên trong
ghế ngồi xe hơi bằng tấm thép DC04 dày 0,8 mm.
HVTH: Bùi Bính Khiêm
19
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thanh Nam
Nói chung, thép khơng rỉ khó hơn thép mềm và nhơm trong tạo hình gia tăng. Lý
do chính là nó có độ chống kéo cao, hệ số hóa bền biến dạng lớn và tính đàn hồi ngược lại
cao. Có nhiều loại vật liệu khác cũng được thử nghiệm trên phương pháp này như đồng
thau, bạc, vàng, titan, và bạch kim. Trong số đó, titan có vị trí quan trọng nhất vì những
ứng dụng thường xuyên của nó trong sản xuất máy bay. Một số mẫu thử đã được tạo hình
thành cơng dùng RT12S (titan bậc 1), hơn nữa có thể dùng trong tạo hình bề mặt có độ
sâu cao.
1.2.4. Quy trình cơng nghệ gia cơng bằng phương pháp SPIF
Trong tiến trình chung SPIF, các hình dạng tự do có thể được tạo ra bằng một
công cụ điều khiển CNC chuẩn, hình cầu. Tiến trình bắt đầu từ phôi tấm kim loại
phẳng, được đỡ trên một dàn đỡ đủ chắc chắn và đặt trên bàn của máy CNC. Để gia
công một bộ phận, công cụ máy thực hiện tạo một đường biên trước, tương tự hoạt
động thông thường một máy phay. Thuận lợi chính của phương pháp này là không cần
khuôn làm cho nó trở thành một tiến trình lý tưởng cho tạo mẫu nhanh hay sản xuất
theo đơn chiếc. Quy trình biến dạng tạo hình cho sản phẩm được tóm gọn trong 5 bước
sau đây:
HVTH: Bùi Bính Khiêm
20
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thanh Nam
Mơ hình CAD của sản phẩm được thiết kế theo
ý tưởng của nhà sản xuất hoặc khách hàng
Bước 1
Bước 2
Chọn vật liệu
tấm
Tìm góc giới hạn
biến dạng lớn nhất
có trong sản phẩm
Tham khảo
biểu đồ giới
hạn biến dạng
Bước 3
Lựa chọn kích
thước dụng cụ
tạo hình
Kiểm tra lại góc
giới hạn biến dạng
lớn nhất
Lập qũy đạo di
chuyển cho dụng
cụ tạo hình
Bước 4
Tiến hành gia cơng
trên máy Phay CNC
Bước 5
Hoàn chỉnh sản phẩm
(cắt gọt vật liệu dư, làm cùn cạnh sắc)
Bảng 1.2: Sơ đồ quy trình gia cơng đơn điểm (SPIF)
HVTH: Bùi Bính Khiêm
21
Luận Văn Thạc Sĩ
GVHD: PGS.TS. Nguyễn Thanh Nam
1.2.5. Quy trình cơng nghệ gia cơng bằng phương pháp TPIF
Mơ hình CAD của sản phẩm được
thiết kế theo ý tưởng của nhà sản
xuất hoặc khách hàng
Dưỡng
Chương trình CAM
Tấm Kim Loại
Dưỡng
Tiến hành gia cơng trên
máy phay CNC
Tấm Kim Loại
`
Hồn thành sản phẩm
Bảng 1.3: Sơ đồ quy trình gia cơng hai điểm (TPIF)
Việc tạo hình bắt đầu trên mặt ngang ban đầu của tấm, Dưỡng đặt dưới vật kẹp tấm
và tấm được tạo hình đè lên dưỡng. Dụng cụ chuyển động thực hiện đi theo xung quanh
dưỡng, trượt trên bề mặt của tấm và ấn (miết) tấm kim loại thành hình dạng mong muốn
và sau một vịng nó hạ xuống với những bước cố định đã được thiết kế trước. Các yếu tố
tạo hình chính được thể hiện trên hình 11
Hồn chỉnh sản phẩm
(cắt gọt vật liệu dư, làm cùn cạnh sắc)
Bước 5
Hình1. 11. Những yếu tố chính của tạo hình 2 điểm [9]
HVTH: Bùi Bính Khiêm
22
