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 SPIF

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ KHÁNH ĐIỀN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CƠNG
NGHỆ ĐẾN KHẢ NĂNG TẠO HÌNH CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU
KIM LOẠI TẤM KHI GIA CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP SPIF
(A RESEARCH ON THE INFLUENCES OF ENGINEERING
PARAMETERS TO THE FORMING ABILITY OF METAL SHEET BY SPIF
TECHNOLOGY)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH NĂM 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ KHÁNH ĐIỀN

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 SPIF
(A RESEARCH ON THE INFLUENCES OF ENGINEERING
PARAMETERS TO THE FORMING ABILITY OF METAL SHEET BY SPIF
TECHNOLOGY)

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
Mã số chuyên ngành: 62 52 04 01

Phản biện độc lập 1: PGS. TS HÀ MINH HÙNG
Phản biện độc lập 2: PGS. TS NGUYỄN VIỆT HÙNG

Phản biện 1: PGS. TS LÊ CHÍ CƯƠNG
Phản biện 2: PGS. TS ĐẶNG VŨ NGOẠN
Phản biện 3: PGS. TS TRẦN THIÊN PHÚC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TS. NGUYỄN THANH NAM.


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ
một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu
có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Tác giả luận án: Lê Khánh Điền

Lê Khánh Điền

i


TÓM TẮT LUẬN ÁN
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu thiết lập mối quan hệ giữa các thông số công
nghệ (lượng tiến dụng cụ xuống Dz, vận tốc chạy dụng cụ Vxy, đường kính dụng cụ D
và số vịng quay của trục chính mang dụng cụ n) với các thơng số mục tiêu, bao gồm
khả năng tạo hình (tức góc tạo hình  là góc của tiếp tuyến bề mặt tạo hình và phương
ngang), lượng phục hồi, độ nhám bề mặt vật liệu tấm và năng suất tạo hình của mẫu thí
nghiệm làm bằng một số vật liệu tiêu biểu như nhôm A 1050 H14, thép thường SS330

và thép không gỉ SUS304. khi gia công bằng công nghệ tạo hình cục bộ liên tục đơn
điểm (Single Point Incremental Forming - SPIF). Tổng quát nội dung của luận án bao
gồm một số điểm như sau:
-

Nghiên cứu thực nghiệm gia công mẫu trên máy SPIF chuyên dùng để xác định mối
quan hệ giữa các thông số công nghệ với khả năng tạo hình (góc tạo hình ) và lượng
phục hồi sau tạo hình (Springback), độ nhám bề mặt mẫu và năng suất tạo hình của
các nhóm vật liệu nói trên.

-

Phần mềm ABAQUS được sử dụng để mơ phỏng q trình tạo hình SPIF nhằm xác
định mối quan hệ giữa các thơng số cơng nghệ với khả năng tạo hình (góc tạo hình
) và lượng phục hồi sau tạo hình của các nhóm vật liệu nói trên. So sánh kết quả
mơ phỏng với các kết quả thực nghiệm cũng được thực hiện để kiểm chứng tính hội
tụ giữa 2 phương pháp.

-

Kết quả thực nghiệm được kiểm chứng phương sai và qui hoạch thực nghiệm (với
sự trợ giúp của phần mềm Minitab) nhằm thiết lập phương trình hồi quy của các
thơng số mục tiêu. Phân tích ảnh hưởng của các thơng số cơng nghệ trong các phương
trình hồi qui bằng đạo hàm riêng phần để đánh giá chính xác mối quan hệ giữa các
thông số công nghệ với hàm mục tiêu của các nhóm vật liệu nói trên.

-

Tối ưu hóa các thơng số cơng nghệ trong các phương trình hồi qui cũng được thực
hiện nhằm lựa chọn các thông số công nghệ tối ưu để có được các giá trị mục tiêu

mong muốn. Việc xây dựng các công cụ (phần mềm, bảng biểu) tra cứu chế độ gia

ii


cơng tạo hình SPIF cho các nhóm vật liệu để ứng dụng trong thực tế cũng được thực
hiện trong luận án này.
-

Sau cùng, luận án đã đề xuất một số miền giá trị tối ưu của các thông số công nghệ
theo hàm mục tiêu hữu ích cho cơng nghệ tạo hình tấm SPIF.

iii


ABSTRACT
The aim of the thesis is the establishing of the relationship among the influential
technological parameters (the forming depth Dz, the feed rate Vxy, the diameter of tool
D and the revolution per minute of spindle n) to the objective parameters (forming
ability, the angle  that is made by the tangent line of the deformed surface and the
horizontal line; the springback values, the roughness and the productivity) of the models
of some typical metals such as aluminum A 1050 H14, mild steel SS330 and stainless
steel SUS304 of the surface and the productivity) when forming metal sheet by Single
Point Incremental Forming (SPIF) technology.

Overall, the content of the thesis

concerned some following points:
 Experimental study of forming specimens in specific SPIF machine for defining the
relations of the technological parameters to the ability of forming (forming angle

), the springback value after forming, the roughness of the surfaces and the
productivities of formed sheet models of the mentioned typical metals.
 Abaqus software is applied to simulate the process of forming sheet by SPIF in order
to define the relations among the parameters of forming with the ability of forming
(angle ) and the springback phenomena of the mentioned typical metals. The
comparision of simulated result and empirical one is carried out to interpret the
convergence of 2 methods.
 The empirical results are analysed of variances and are designed of experiment (with
the assistance of Minitab software) to establish the equations of recursion of the
objective parameters. Analysing the influences of technological parameters in the
equations of recursion by patial differential method to have the authentic remark of
the influences of the technological parameters.
 The optimization of the technological parameters in the gained recursion functions
is also performed to get the optimal technological parameters according to the
desired objective values. The editing of a tool consultation (software, handbook) for

iv


consultation the forming parameters in practice application is also carried out in the
thesis;
 Finally, the thesis proposed a numbers of optimal technological parameters
according to the desired objective values, useful for the SPIF technology.

v


LỜI CÁM ƠN
Luận án được hoàn thành nhờ sự giúp đỡ tận tình của các Thầy Cơ hướng dẫn, các Thầy
Cơ giảng viên Khoa Cơ khí, khoa Kỹ thuật Xây dựng Trường Đại học Bách khoa Tp.

Hồ Chí Minh, cơ quan cơng tác, bạn bè đồng nghiệp và gia đình. Xin chân thành cảm
ơn đến tất cả những tập thể và cá nhân đã giúp tôi trong thời gian vừa qua:
 Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh;
 Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh;
 Phịng Quản lý Khoa học Sau Đại học Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí
Minh đã tận tình hướng dẫn, bổ sung cập nhật những kiến thức, kinh nghiệm
trong suốt q trình thực hiện Luận án;
 Phịng thí nghiệm trọng điểm Điều khiển số và Kỹ thuật hệ thống đã tạo mọi điều
kiện, động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện
đề tài;
 Các Anh, Chị đồng nghiệp đã nhiệt tình giúp đỡ, động viên tơi trong suốt q
trình thực hiện Luận án này.
Trong quá trình thực hiện Luận án, mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng chắc chắn khó
tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong q Thầy Cơ, bạn bè và đồng nghiệp chỉ bảo,
đóng góp ý kiến để tơi nhận thức được những thiếu sót và cố gắng sửa chữa, bổ sung để
hoàn thiện hơn.
Một lần nữa xin chân thành cảm ơn tất cả những tập thể và cá nhân đã hướng dẫn, giúp
đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất giúp tơi hồn thành Luận án này. Xin kính chúc q Thầy
Cơ, bạn bè và đồng nghiệp sức khỏe và thành đạt.

vi


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................................................xi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..........................................................................................xiv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..............................................................................xvi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU ................1
1.1

Công nghệ SPIF .................................................................................................1

1.1.1

Các phương pháp gia công tấm cổ điển ......................................................1

1.1.2

Nhu cầu và sự ra đời của công nghệ SPIF ..................................................1

1.1.3

Cơ sở tạo hình của cơng nghệ SPIF ............................................................3

1.2

Các thơng số ảnh hưởng đến khả năng tạo hình (góc tạo hình ) trong SPIF.10

1.3

Thiết bị tạo hình bằng phương pháp SPIF .......................................................11

1.4

Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước ...........................................12

1.4.1

Các nghiên cứu ở nước ngoài ....................................................................12

1.4.2

Các nghiên cứu trong nước .......................................................................23

1.5

Nhiệm vụ nghiên cứu .......................................................................................24

1.5.1

Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................24

1.5.2

Nội dung nghiên cứu .................................................................................25

1.5.3

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................25

1.6

Phương pháp nghiên cứu .................................................................................25

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ..............................................................................................27
CHƯƠNG 2

NGHIÊN CỨU SPIF BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ..29

2.1

Mục đích và yêu cầu ........................................................................................29

2.2

Quy hoạch thực nghiệm khả năng tạo hình (góc tạo hình ) tấm bằng cơng

nghệ SPIF ..................................................................................................................30

vii


2.2.1

Các thông số cần khảo sát .........................................................................30

2.2.2

Lựa chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm .......................................31

2.2.3

Vật liệu tấm và mơ hình mẫu thực nghiệm ...............................................32

2.3

Máy và và hệ thống công nghệ dùng tạo hình thực nghiệm SPIF ...................34

2.4

Hoạch định thực nghiệm ..................................................................................36

2.4.1

Chọn mức giá trị thực nghiệm của các thông số ảnh hưởng .....................36

2.4.2

Mã hóa các thơng số ảnh hưởng................................................................37

2.4.3

Thực hành tạo hình mẫu ............................................................................41

2.5

Phân tích phương sai kết quả thực nghiệm & thiết lập phương trình hồi quy 42

2.5.1

Kết quả thực nghiệm và phân tích phương sai (Anova) ...........................42

2.5.2

Phương trình hồi quy khả năng tạo hình (góc tạo hình ) ........................53

2.5.3

Phương trình hồi quy lượng phục hồi .......................................................57

2.5.4

Phương trình hồi quy độ nhám bề mặt tạo hình ........................................63

2.5.5

Phương trình hồi quy thời gian tạo hình ...................................................65

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ..............................................................................................69
CHƯƠNG 3

NGHIÊN CỨU SPIF BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ ....71

3.1

Mục đích ..........................................................................................................71

3.2

Biến dạng đàn dẻo, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong vùng dẻo........71

3.2.1

Cơ sở lý thuyết tạo hình SPIF ...................................................................73

3.2.2

Xác định cơ tính trung bình của vật liệu dị hướng trong mô phỏng .........73

3.2.3

Các điều kiện biên trong mô phỏng cần phù hợp với thực nghiệm ..........73

3.2.4

Thống nhất các thơng số tạo hình trong mơ phỏng và thực nghiệm .........73

3.2.5

Mẫu dùng trong mơ phỏng ........................................................................74

3.3

Quy trình khảo sát biến dạng dẻo trong SPIF bằng phần mềm ABAQUS ......74

3.3.1

Xác định thông số ban đầu cho mô phỏng số ...........................................75
viii


3.3.2

Mô phỏng số, thiết lập biểu đồ xác định khả năng tạo hình (góc tạo hình

)

78

3.4

Phân tích kết quả ..............................................................................................80

3.5

So sánh kết quả mô phỏng số và thực nghiệm .................................................84

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ..............................................................................................90
CHƯƠNG 4

THIẾT LẬP CHẾ ĐỘ GIA CÔNG TỐI ƯU THEO HÀM MỤC

TIÊU VÀ XÂY DỰNG PHẦN MỀM TRA CỨU........................................................92
4.1

Mục đích và yêu cầu ........................................................................................92

4.2

Phương pháp tối ưu hóa ...................................................................................92

4.3

Trình tự tối ưu hóa theo hàm mục tiêu ............................................................93

4.4

Tối ưu hóa các thơng số cơng nghệ (chế độ gia công) theo hàm mục tiêu ......93

4.4.1

Thiết lập chế độ gia công tối ưu theo khả năng biến dạng dẻo .................94

4.4.2

Thiết lập chế độ gia công tối ưu theo giá trị phục hồi sau tạo hình ..........98

4.4.3

Thiết lập chế độ gia công tối ưu theo độ nhám bề mặt sản phẩm ...........100

4.4.4

Thiết lập chế độ gia công tối ưu theo năng suất tạo hình........................100

4.5

Tra cứu chế độ gia cơng tạo hình SPIF để sử dụng trong thực tế ..................101

4.5.1

Xây dựng phần mềm tra cứu chế độ gia cơng tạo hình SPIF ..................101

4.5.2

Sơ đồ giải thuật .......................................................................................103

4.5.3

Giao diện .................................................................................................103

4.5.4

Giải thích giao diện .................................................................................105

4.5.5

Cách sử dụng phần mềm tra cứu chế độ gia công...................................105

4.6

Xây dựng các công cụ biểu bảng tra cứu chế độ gia cơng tạo hình SPIF......105

4.6.1

Phương pháp thực hiện biểu bảng tra cứu ...............................................106

4.6.2

Các kiểu tra cứu bảng ..............................................................................106

CHƯƠNG 5

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.108
ix


5.1

Kết luận ..........................................................................................................108

5.2

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số.........................................108

5.3

Kết quả tối ưu hóa và ứng dụng .....................................................................110

5.4

Hướng phát triển của đề tài ............................................................................111

DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................112
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................115
PHỤ LỤC ...................................................................... Error! Bookmark not defined.

x


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Cơng nghệ Miết với sản phẩm trịn xoay ........................................................1
Hình 1. 2 Sơ đồ tạo hình tấm bằng SPIF và TPIF [38] ...................................................3
Hình 1. 3 Theo giản đồ ứng suất biến dạng - [67] của vật liệu dẻo ...........................3
Hình 1. 4 Sơ đồ tính ứng suất tại một điểm bất kỳ [52] ..................................................4
Hình 1. 5 (a) Máy chuyên dùng ISF của công ty AMINO (b) Tạo hình SPIF bằng Tay
máy, (c) và (d) máy SPIF 4 trụ và 2 trụ của DCSELAB ...............................................12
Hình 2. 1 Mẫu cơn cong và sơ đồ tính góc tạo hình α tại độ sâu z ...............................33
Hình 2. 2 Mẫu hình cơn thẳng .......................................................................................34
Hình 2. 3 Mẫu hình tháp cụt ..........................................................................................34

Hình 2. 4 Đồ gá kẹp mẫu đang kiểm tra trên máy chuyên dùng SPIF ..........................35
Hình 2. 5 Dụng cụ tạo hình và kẹp rút sử dụng trong thực nghiệm tại DCSELAB .....35
Hình 2. 6 Dữ liệu 3 nhóm vật liệu được chép vào Exel ................................................45
Hình 2. 7 Hộp thoại chọn Anova trong Data Analysis của Excel .................................46
Hình 2. 8 Hộp thoại chọn vùng dữ liệu và các tùy chọn đề có kết quả Anova .............46
Hình 2. 9 Kết quả phân tích phương sai gủa góc  của 3 loại vật liệu .........................47
Hình 2. 10 Phân tích Anova cho lượng phục hồi DD của 3 nhóm vat liệu, P-value rất bé
1,04.10-8 cho thấy kết quả thực nghiệm của DD có độ tin cậy cao ................................47
Hình 2. 11 Kết quả phân tích phương sai Anova của DH bằng Excel, P-value rất bé
6,633.10-12 cho thấy kết quả thực nghiệm DH có độ tin cậy cao. ..................................48

xi


Hình 3. 1 Mơ hình biến dạng dẻo (c) được chọn do phù hợp với lý thuyết và kết quả kéo
thép không gỉ SUS304 tại PTN Công Nghệ Vật Liệu ...................................................72
Hình 3. 2 Trình Job Manager xuất hiện khi đang chạy ABAQUS ................................78
Hình 3. 3 Mặt cắt ứng suất đi qua tâm của sản phẩm....................................................79
Hình 3. 4 Biểu đồ phân bố ứng suất theo đường dẫn tại một độ sâu của dụng cụ ........79
Hình 3. 5 Phân bố ứng suất trên tấm tại 3 độ sâu khác nhau: tại độ sâu đường màu đỏ đã
xảy ra phá huỷ vật liệu tại σ> 600 MPa ở vị trí A .........................................................80
Hình 3. 6 Biểu đồ ứng suất của 3 loại vật liệu đạt giá trị giới hạn khi mơ phỏng.........82
Hình 3. 7 So sánh biên dạng mô phỏng ABAQUS và biên dạng CAD của 3 loại vật liệu
.......................................................................................................................................83
Hình 3. 8 Biểu đồ so sánh góc tạo hình mơ phỏng và thực nghiệm  của 3 loại vật liệu
.......................................................................................................................................86
Hình 3. 9 So sánh lượng đàn hồi theo phương hướng kính DD mơ phỏng và thực nghiệm
.......................................................................................................................................87
Hình 3. 10 So sánh lượng đàn hồi theo phương hướng kính DH giữa mơ phỏng và thực
nghiệm ...........................................................................................................................89

Hình 4. 1 Bảng tối ưu hóa cho nhơm A 1050-H14 bằng Solver ...................................95
Hình 4. 2 Lập điều kiện cho Solver Parameters ............................................................96
Hình 4. 3 Kết quả Solver Result ...................................................................................96
Hình 4. 4 Kết quả tối ưu hóa cho nhơm A 1050-H14 bằng Solver trong ô $F$3 là 80o
giá trị maximun với các thơng số tạo hình là Dz =0,10 mm, đường kính D=3mm,
VXY=400m/ph và số vịng quay trục chính n =200vg/ph .............................................97
Hình 4. 5 Sơ đồ giải thuật phần mềm tra cứu thơng số tạo hình .................................103

xii


Hình 4. 6 Giao diện phần mềm tra cứu thơng số với 3 loại vật liệu............................104
Hình 4. 7 Tra cứu các thơng số tạo hình của thép khơng gỉ SUS304 với các u cầu góc
tạo hình đạt tới gần 700, lượng phục hồi nhỏ hơn 0,5mm và độ nhám bề mặt khoảng
Rz20 .............................................................................................................................104

xiii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1 Giá trị 2 mức giới hạn của 4 thông số ảnh hưởng của 3 loại vật liệu tấm ...36
Bảng 2. 2 Bảng mã hóa thông số ảnh hưởng của nhôm A 1050-H14 ...........................38
Bảng 2. 3 Bảng mã hóa thơng số ảnh hưởng của thép kết cấu xây dựng SS330 ..........38
Bảng 2. 4 Bảng mã hóa thơng số ảnh hưởng của thép khơng gỉ SUS304 ....................39
Bảng 2. 5 Mã hóa các thơng số ảnh hưởng ...................................................................39
Bảng 2. 6 Chế độ tạo hình thực nghiệm (cũng dùng cho mô phỏng) của 3 loại vật liệu
.......................................................................................................................................40
Bảng 2. 7 Kết quả thực nghiệm góc tạo hình nhơm A 1050-H14 .................................42
Bảng 2. 8 Kết quả thực nghiệm các thông số đầu ra của 3 loại vật liệu........................43
Bảng 2. 9 Phân tích Anova theo lý thuyết [66] .............................................................44

Bảng 2. 10 Kết quả thực nghiệm giá trị trung bình và phương sai của góc tạo hình ....49
Bảng 2. 11 Hệ số phương trình hồi quy và hệ số Student tương ứng............................50
_

Bảng 2. 12 Các giá trị y và giá trị yˆ .............................................................................51
Bảng 2. 13 Ảnh hưởng cùa các thông số đối với góc tạo hình α là thơng số chủ đạo với
mục tiêu α lớn nhất ........................................................................................................56
Bảng 2. 14 Lượng phục hồi theo phương đường kính D với mục tiêu D

min ....60

Bảng 2. 15 Ảnh hưởng của các thông số đến H với mục tiêu H min ...................63
Bảng 2. 16 Trình bày ảnh hưởng của các thông số đến Rz với mục tiêu Rz min .....65
Bảng 2. 17 Trình bày ảnh hưởng của các thơng số đế thời gian tạo hình Tg với mục tiêu
Tg min........................................................................................................................68
xiv


Bảng 3. 1 Cơ tính của 3 nhóm vật liệu sau khi đã làm thí nghiệm kéo mẫu theo 3 phương
và lấy giá trị trung bình (2.7 Phụ lục A1 [35]) ..............................................................76
Bảng 3. 2 Chọn thơng số tạo hình phù hợp cho từng loại vật liệu ................................77
Bảng 3. 3 Bảng tổng kết các thơng số đầu ra là góc tạo hình và lượng phục hồi theo các
thơng số tạo hình khi tạo hình SPIF bằng mơ phỏng ....................................................81
Bảng 3. 4 Tổng kết kết quả thực nghiệmvà kết quả mô phỏng góc tạo hình bằng SPIF
của 3 loại vật liệu ...........................................................................................................85
Bảng 4. 1 Bảng tổng kết các phương trình hồi quy dùng tối ưu hóa .............................94
Bảng 4. 2 Tổng kết tối ưu theo khả năng tạo hình (góc tạo hình ) của 3 loại vật liệu 97
Bảng 4. 3 Tổng kết tối ưu theo lượng phục hồi theo phương hướng kính DD của 3 loại
vật liệu ...........................................................................................................................98
Bảng 4. 4 Tổng kết tối ưu theo lượng phục hồi theo phương chiều sâu DH của 3 loại vật

liệu (Phụ lục C) ..............................................................................................................99
Bảng 4. 5 Tổng kết tối ưu theo độ nhám bề mặt của 3 loại vật liệu ............................100
Bảng 4. 6 Tổng kết tối ưu theo năng suất tạo hình của 3 loại vật liệu (Phụ lục C) .....101

xv


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Tên đầy đủ, thường gặp/ theo ISO

αmax

Góc biến dạng giới hạn tạo hình


s
p
Dz

Hệ số ma sát giữa tấm dụng cụ tạo hình
Hệ số Poison của vật liệu tấm
Hệ số Poison của vật liệu dụng cụ
Bước xuống dụng cụ sau mỗi lớp (mm)
Hợp kim nhôm theo tiêu chuẩn Nhật JIS
[43]
Phần mềm FEM của Dassault Systemes

A 1050-H14
ABAQUS
CATIA

Phần mềm CAD CAM của Dassault
Systèmes

CCRD
D

Central Composite Rotational Design
Đường kính dụng cụ tạo hình (mm)

DCSELAB

Digital Control and System
Engineering laboratory

DIC
E
F

Digital Image Correlation
Module đàn hồi
Số bậc tự do trong qui hoạch

FEA

Finite Element Application

FEAP

Finite Element Application Program

FEM

Finite Element Method

FFL

Fracture Forming Limit

FLD

Forming Limit Diagram

H

Chiều sâu tạo hình

HSS

High Speed Steel

Giải thích ý nghĩa
Góc nhọn lớn nhất hợp
bởi bề mặt tấm được tạo
hình và phương ngang
mà tấm khơng bị rách.
Được bơi trơn tốt

Computer Aided Threedimensional Interactive
Application

Phịng thí nghiệm điều
khiển số và kỹ thuật hệ
thống
Liên kết ảnh kỹ thuật số

Ứng dụng phần tử hữu
hạn
Phần mềm giả các bài
toán phương pháp phần
tử hữu hạn
Phương pháp Phần tử
hữu hạn
Giới hạn tạo hình
Biểu đồ giới hạn biến
dạng
Thép gió, thép cắt với
tốc độ cao

xvi


Ký hiệu

Tên đầy đủ, thường gặp/ theo ISO

Giải thích ý nghĩa

Cơng nghệ tạo hình kim
loại tấm bằng biến dạng
cục bộ liên tục

ISF

Incremental Sheet Forming

K

PTHQ
QHTN
R

Số yếu tố ảnh hưởng trong qui hoạch
Hệ số mũ của công thức ứng suất trong
miền dẻo
Số lần lặp trong thực nghiệm
Số vòng quay dụng cụ (vòng/phút)
Số lần thực nghiệm
Phương pháp Phần tử hữu hạn
Phần mềm CAD-CAM của PTC Creo
Parametric
Phương trình hồi quy
Quy hoạch thực nghiệm
Bán kính biên dạng côn cong

RDM

Resistance De Materials

Rz

Độ nhám bề mặt

s2
SAP

Phương sai
Structural Analysis Program
Phần mềm PPPTHH
4-node general-purpose shell, reduced Phần tử vỏ tổng quát 4
integration
nút, giản lược tích hợp

k
m
n
N
PPPTHH
Pro/ENGINEER

S4R
SBA

Sparse Bundle Adjustment

SPIF

Single Point Incremental Forming

Springback
Substructuring

Lượng phục hồi sau tạo hình
Phân nhỏ cấu trúc
Thép tấm, tiêu chuẩn Nhật JIS G 3101
[35]
Thép không gỉ, tiêu chuẩn Nhật JIS
JFE443CT [45]
Giá trị tiêu chuẩn Student
Nhiệt độ tạo hình
Thời gian tạo hình (phút)
Quy hoạch thực nghiệm yếu tố riêng
phần
Quy hoạch thực nghiệm yếu tố toàn phần

SS330
SUS304
t
T
Tg
TNR
TNT

xvii

Phần mềm giả các bài
tốn Sức bền vật liệu

Điều chỉnh các chùm
Cơng nghệ biến dạng cục
bộ liên tục đơn điểm


Ký hiệu
TPIF
Vxy
w

D

Tên đầy đủ, thường gặp/ theo ISO
Two Point Incremental Forming
Vận tốc tiến dụng cụ trong mặt phẳng
ngang (mm/phút)
Bề dầy tấm
độ chênh lệch của đại lượng đo với kỳ
vọng toán nhỏ hơn 0,05

xviii

Giải thích ý nghĩa
Cơng nghệ biến dạng cục
bộ liên tục hai điểm


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

1.1 Công nghệ SPIF

1.1.1 Các phương pháp gia công tấm cổ điển
Công nghệ gia công kim loại tấm ra đời từ lâu với các sản phẩm phục vụ nông nghiệp,
gia dụng, nhưng phải chờ đến thế kỷ thứ 18 khi cuộc cách mạng kỹ nghệ cơ khí phát
triển tại Anh thì cơng nghệ gia cơng tấm khơng khn mới được nghiên cứu sâu về lý
thuyết và ứng dụng với nhiều phương pháp như gò và miết (Spinning) tạo biến dạng cho
tấm dưới áp lực của con lăn hay đầu điểm ép và trượt trên bề mặt phơi quay trịn cho
sản phẩm có dạng trịn xoay. Miết có con lăn được phát triển để thay ma sát trượt bằng
ma sát lăn. Tuy nhiên, phương pháp miết chỉ chế tạo được các chi tiết trịn xoay (hình
1.1) chưa thể tạo hình các sản phẩm có hình dạng bất kỳ.

Hình 1. 1 Cơng nghệ Miết với sản phẩm tròn xoay

1.1.2 Nhu cầu và sự ra đời của 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 khn rất tốn kém, khơng đủ bù chi phí ban đầu. Vì vậy, từ
1


thập niên 60 của thế kỷ 20, các nhà công nghệ đã cố gắng tìm kiếm các biện pháp gia
cơng 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 [13] nhưng lúc đó cơng nghệ này chưa hiện thực được do kỹ thuật điều
khiển thời đó cịn thơ sơ, phải chờ đến thập niên 90, khi kỹ thuật điều khiển số và sự
xuất hiện các máy gia cơng 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 cục bộ liên tục 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): cơng 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 khơng cần dùng khn 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 phơi tấm cần tạo hình
(hình 1.2a). Dụng cụ tạo hình có đầu hình bán cầu khơng có lưỡi cắt di chuyển theo quĩ
đạo của biên dạng sản phẩm nhờ máy CNC hay máy chuyên dùng SPIF điều khiển. Hầu
hết các cơng trình nghiên cứu hiện nay đều tập trung vào SPIF do công nghệ này được
xem như đại diện cho ISF [65].
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 [38]. Toàn bộ đồ gá và tấm
tựa dưới sẽ di chuyển xuống theo đầu dụng cụ tạo hình cịn dưỡng tạo phần lồi thì cố
định trên bàn máy (hình 1.2b). 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.
Luận án chỉ tập trung nghiên cứu phương pháp SPIF do phương pháp này đại diện cho
cơng nghệ ISF: khơng cần dùng khn và có đồ gá đơn giản.

2


(a) Sơ đồ tạo hình tấm bằng SPIF

(b) Sơ đồ tạo hình tấm bằng TPIF

Hình 1. 2 Sơ đồ tạo hình tấm bằng SPIF và TPIF [38]
Cơ sở tạo hình của cơng nghệ SPIF

Hình 1. 3 Giản đồ ứng suất biến dạng - [33] của vật liệu dẻo
Khi ngoại lực tác dụng tạo ứng suất còn trong nằm trong miền đàn hồi, tức ứng
suất còn nhỏ hơn giới hạn chảy (Yield point) thì tấm có biến dạng đàn hồi, ta khơng thể

tạo hình được vì khi bỏ lực thì tấm sẽ trở lại hình dáng cũ. Phải tăng ngoại lực để ứng
suất nằm trong vùng chảy Y <  < u tức là lớn hơn ứng suất chảy Y và nhỏ hơn ứng
suất phá hủy U thì tấm kim loại mới có thể biến dạng, tức là có thể tạo hình được. Ứng
suất khơng được vượt giá trị ứng suất phá hủy U vì sẽ gây vết nứt hay gẫy vỡ trên vật
liệu. Vùng ứng suất được phóng to lên trên đồ thị 1.3 là vùng chảy dẻo của kim loại, đây
chính là vùng có khả năng tạo hình (góc tạo hình ) bằng biến dạng dẻo.
3


Biến dạng dẻo trong tinh thể của kim loại chủ yếu được gây ra do cơ chế biến
dạng trượt mạng tinh thể. Trượt là biến dạng trượt trong đó nguyên tử di chuyển qua
nhiều lần khoảng cách giữa các nguyên tử so với vị trí ban đầu do vậy ứng suất tiếp rất
quan trọng trong tạo hình bằng biến dạng dẻo. Tinh thể chứa các mặt phẳng nguyên tử
phân bố đều và có tổ chức trên phạm vi lớn do đó các mặt phẳng này có thể trượt trên
nhau dọc theo phương của ngoại lực tác dụng. Hệ quả là sự thay đổi vĩnh viễn của hình
dạng lưới bên trong tinh thể gây nên biến dạng dẻo, không thể trở về hình dáng ban đầu.
Sự tồn tại của các sai lệch làm tăng khả năng trượt của các mặt. Nêu bên trong vật liệu
có các khuyết tật thì có thể gây trở ngại cho sai lệch mạng hay ngăn chúng trượt làm
biến dạng dẻo bị giới hạn vào một vùng nhất định bên trong vật liệu [33].
Tuy công nghệ tạo hình tấm ra đời trên 20 năm nay nhưng mãi đến năm 2008 thì
các tác giả P.A.F. Martins , N. Bay, M. Skjoedt và M.B. Silva mới ra một cơ sở lý thuyết
[52] cho cơng nghệ tạo hình tấm này. Ngày nay, bài báo này được xem như là cơ sở lý
thuyết của tạo hình SPIF tạm được chấp nhận, có thể tóm tắt như dưới đây:

Hình 1. 4 Sơ đồ tính ứng suất tại một điểm bất kỳ [52]
4


Trong [52] các tác giả đã tính ứng suất tại một điểm bất kỳ tại vùng phẳng của
tấm và vùng góc được mơ tả trong hình 1.4 với các kết quả các ứng suất tại một điểm

bất kỳ được các tác giả tính tốn và so sánh với ứng suất gây ra do dập truyền thống các
bề mặt tròn xoay, ứng suất thủy tĩnh cũng được quan tâm và được trình bày trong bảng
sau [52]:

Trong đó:
Hệ tọa độ tham chiếu là hệ tọa độ cầu với tâm nằm trên trục đối xứng của vật tạo hình:
: tọa độ góc mặt cầu trong mặt phẳng ngang,
: tọa độ góc mặt cầu trong mặt phẳng đứng,
t: tọa độ theo phương tiếp tuyến với mặt cầu,
-

Các trạng thái biến dạng tại điểm bất kỳ:

d = - d >0 biến dạng trong mặt phẳng ngang của tọa độ cầu thì dương và có giá trị
đối ngược lại biến dạng trong mặt phẳng đứng
dt biến dạng theo phương tiếp tuyến luôn luôn âm.
-

Các trạng thái ứng suất tại điểm bất kỳ:

5