LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH CỤC BỘ LIÊN TỤC TPIF TẠO HÌNH CÁC SẢN PHẨM DÂN DỤNG
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
|
Đầu đề luận văn: |
||||
|
Tiếng việt: Ưng dụng công nghệ tạo hình cục bộ liên tục TPIF tạo hình các sản phẩm dân dụng |
||||
|
Tiếng anh: Applying TPIF technology to produce civil products |
||||
|
Sốliệu: |
||||
|
Nhiệmvụ: |
||||
|
- |
Nghiên cứu tổng quan(nghiên cứu trong & ngoài nước, sự cần thiết, nhiệm vụ thiết kế) |
|||
|
- |
Cơ sở lý thuyết của công nghệ TPIF |
|||
|
- |
Quy trình công nghệ tạo hình sản phẩm dân dụng bằng công nghệ TPIF |
|||
|
- |
Lập trình gia công tạo hình sản phẩm bằng công nghệ TPIF |
|||
|
- |
Ứng dụng tạo hình một số sản phẩm dân dụng bằng công nghệ TPIF |
|||
|
- |
Số bản vẽ dự kiến: |
|
gồm: |
|
|
+ |
1bảnvẽ A0, về: |
Sơ đồ Quy trình công nghệ TPIF |
||
|
+ |
3bảnvẽ A1, về: |
Bản vẽ chi tiết các sản phẩm dân dụng |
||
|
+ |
1bảnvẽ A0, về: |
Quá trình tạo hình sản phẩm trên máy SPIF |
||
|
+ |
1bảnvẽ A0, về: |
Hình ảnh các sản phẩm được chế tạo bằng máy SPIF |
||
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.. 7
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.. 8
DANH MỤC HÌNHẢNH.. 9
DANH MỤC BẢNG BIỂU.. 12
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÁY SPIF. 15
1.1. Khái quát về đề tài nghiên cứu. 15
.... 1.1.1. Lịch sử phát triển. 16
.... 1.1.2. Giới thiệu về tạo hình tấm gia tăng. 18
1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về công nghệ TPIF. 20
1.3. Tình hình nghiên cứu trong nướcvề công nghệ TPIF. 22
1.4. Các tồn tại và định hướng nghiên cứu. 23
1.5. Xác định mục tiêu, đối tượng,nội dung. 24
.... 1.5.1 Mục tiêu. 24
.... 1.5.2 Đối tượng. 24
.... 1.5.3. Nội dung. 24
. 1.5.3. Phương pháp nghiên cứu. .25
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ TPIF. 31
2.1 Cơ sở lý thuyết của công nghệ SPIF:31
.... 2.1.1 Trạng thái của ứng suất và biến dạng. 31
.... 2.1.2 Ma sát ở mặt tiếp xúc dụng cụ tấm.. 34
.... 2.1.3. Xét ảnh hưởng của thành chi tiết34
.... 2.1.4 Sự giảm chiều dày ở bán kính góc. 34
.... 2.1.5 Tấm lót và trạng thái ứng suất35
.... 2.1.6 Cơ sở lý thuyết gia công tạo hình. 36
........ a. Quan hệ giữa góc tạo hình và biến dạng. 36
...... b. Lực tạo hình. 37
.... 2.1.7 Cơ sở lý thuyết xác định các thông số gia công tạo hình. 38
2.2 Cơ sở lý thuyết của công nghệ TPIF:39
.... 2.2.1 Trạng thái của ứng suất và biến dạng. 41
.... 2.2.2 Cơ sở lý thuyết xác định các thông số gia công tạo hình. 44
2.3 Độ nhám bề mặt44
2.4 Độ chính xác kích thước. 45
2.5 Biến dạng đàn hồi không mong muốn và tính toán bù dao. 46
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH SẢN PHẨM DÂN DỤNG BẰNG CÔNG NGHỆ TPIF. 48
3.1 Phân tích quy trình công nghệ TPIF. 48
3.1.1 Phân tích chi tiết gia công. 49
3.1.2 Chọn phôi, phương pháp chế tạo. 49
3.2 Các bước thiết kế, gia công sản phẩm bằng công nghệ TPIF 49
3.2.1 Các bước thiết kế. 51
3.2.2 Các bước gia công. 53
3.3 Tổng hợp quy trình công nghệ tạo hình sản phẩm 54
3.3.1 Phân tích chi tiết gia công. 54
3.3.2 Phân tích, chọn vật liệu phôi55
3.3.3 Phân tích chi tiết gia công. 55
3.3.4 Thiết kế dưỡng, đồ gá. 55
3.3.5 Lập trình gia công dưỡng, gia công chi tiết57
3.3.6 Gia công chi tiết trên máy SPIF. 56
3.3.7 Làm nguội, kiểm tra chất lượng. 64
CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH TẠO HÌNH SẢN PHẨM BẰNG CÔNG NGHỆ TPIF. ….65
4.1 Xây dựng mô hình sản phẩm bằng công nghệ TPIF. 65
4.1.1 Phân tích chi tiết gia công. 67
4.1.2 Phân tích, chọn vật liệu phôi67
4.1.2.1 Chiến lược đường chạy dao trong phay Volume Milling. 68
4.1.2.2 Chiến lược đường chạy dao trong phay Profile. 68
4.2 Các bước lập trình gia công tạo hình trên phần mềm Creo. 69
4.2.1 Chọn môi trường gia công và đặt tên file. 69
4.2.3 Chọn chi tiết gia công. 70
4.2.4 Thiết lập phôi gia công. 70
4.2.5 Chọn máy gia công. 70
4.2.6 Thiết lập gốc tọa độ. 71
4.2.7 Thiết lập đường chạy dao và các thông số công nghệ gia công. 72
4.2.8 Thiết lập thể tích gia công. 73
4.2.9 Tạo đường chạy dao và mô phỏng đường chạy dao. 73
4.2.10 Xuất code chương trình CNC.. 74
CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG TẠO HÌNH MỘT SỐ SẢN PHẨM DÂN DỤNG BẰNG CÔNG NGHỆ TPIF. 75
5.1 Ứng dụng tạo hình sản phẩm 01 “Mẫu Khuôn Bánh”. 75
5.1.1 Phân tích chi tiết gia công. 75
5.1.2 Phân tích, chọn vật liệu gia công. 76
5.1.3 Thiết kế chi tiết “Mẫu Khuôn Bánh”. 77
5.1.4 Thiết kế đồ gá, dưỡng. 81
5.1.4.1 Thiết kế đồ gá. 81
5.1.4.2 Thiết kế dưỡng. 82
5.1.4.3 Xác định dụng cụ gia công. 82
5.1.5 Phân tích lực, các yêu cầu kĩ thuật84
5.1.5.1 Lực tạo hình. 84
5.1.5.2 Phân tích chế độ cắt85
5.1.5.3 Tính lượng bù dụng cụ. 87
5.1.6 Lập trình gia công dưỡng, chi tiết87
5.1.7 Gia công dưỡng, chi tiết91
5.2 Ứng dụng tạo hình sản phẩm 02 “Tô Mẫu”. 92
5.2.1 Phân tích chi tiết gia công. 92
5.2.2 Phân tích, chọn vật liệu gia công. 94
5.2.3 Thiết kế chi tiết “Tô Mẫu”. 95
5.2.4 Thiết kế đồ gá. 100
5.2.4.1 Thiết kế đồ gá. 100
5.2.4.2 Xác định dụng cụ gia công. 100
5.2.5 Phân tích lực, các yêu cầu kĩ thuật103
5.2.5.1 Lực tạo hình. 103
5.2.5.2 Phân tích chế độ cắt104
5.2.5.3 Tính lượng bù dụng cụ. 105
5.2.6 Lập trình gia công dưỡng, chi tiết106
5.2.7 Gia công chi tiết110
5.3 Ứng dụng tạo hình sản phẩm 03 “Mẫu Tranh Nổi”. 111
5.3.1 Phân tích chi tiết gia công. 111
5.3.2 Phân tích, chọn vật liệu gia công. 112
5.3.3 Thiết kế chi tiết “Mẫu Tranh Nổi”. 113
5.3.4 Thiết kế đồ gá. 117
5.3.4.1 Thiết kế đồ gá. 117
5.3.4.2 Xác định dụng cụ gia công. 117
5.3.5 Phân tích lực, các yêu cầu kĩ thuật119
5.3.5.1 Lực tạo hình. 119
5.3.5.2 Phân tích chế độ cắt120
5.3.5.3 Tính lượng bù dụng cụ. 121
5.3.6 Lập trình gia công chi tiết120
5.3.7 Gia công chi tiết124
CHƯƠNG 6: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN DẠNG TẠO HÌNH CỤC BỘ LIÊN TỤC.. 127
6.1 Phân tích kinh tế với sản phẩm gia công bằng phương pháp MSPIF, TPIF. 127
6.2 Đánh giá hiệu quả sản phẩm gia công bằng phương pháp MSPIF, TPIF. 136
KẾT LUẬN…………………...………………………………………………………………..137
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay nước ta đang thời kì thúc đẩy phát triển kinh tế để cạnh tranh với các nước thế giới trước xu hướng toàn cầu hóa. Trong đó ngành cơ khí chế tạo là một trong những ngành then chốt thúc đẩy sự phát triển công nghệ hóa hiện đại hóa đất nước, muốn có được điều cần thiết đó thì vấn đề đặt ra ở đây là phải tối ưu hóa các yếu tố kỹ thuật đặt ra của bản vẽ trước khi cho tiến hành sản xuất hàng loạt.
Đối với gia công kim loại tấm, các phương pháp gia công tạo hình tấm truyền thống như dập nóng, dập nguội, vuốt sâu, kéo, uốn đều cần đến đến khuôn và chày. Các phương pháp này cho năng suất cao nhưng chỉ phù hợp với dạng sản xuất với số lượng lớn mới có thể hoàn vốn cho chi phí chế tạo khuôn, chày.
Bên cạnh đó công nghệ gia công kim loại tấm bằng biến dạng cục bộ liên tục là công nghệ mới, đang được nghiên cứu trên thế giới, phương pháp có ưu điểm, rút ngắn được thời gian quá trình sản xuất các sản phẩm thử nghiệm hoặc đơn chiếc trong nhiều lĩnh vực như ô tô, y khoa, hàng không, dân dụng,.. ít tốn kém hơn, không cần khuôn, chày, đi thẳng từ bản vẽ CAD đến quá trình gia công trên máy CNC.
Bài luận này muốn trình bày những vấn đề cơ bản về quy trình công nghệ gia công kim loại tấm bằng biến dạng cục bộ liên tục cụ thể là: Phân tích - Thiết kế - Lập quy trình công nghệ - Lập trình – Gia công – Đánh giá tổng hợp về ứng dụng của phương pháp liên quan đến lĩnh vực dân dụng để thấy được ưu điểm vượt trội của nó.
Do thời gian có hạn và sự hiểu biết về kiến thức còn hạn chế nên đề tài này sẽ còn nhiều thiếu sót kính mong quý thầy, cô chỉ dạy thêm để cho đề tài ngày một hoàn thiện hơn.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn toàn thể quý thầy cô trong khoa Cơ Khí của trường và đặc biệt là GS.TS: ... đã giúp đỡ, hướng dẫn tận tình em thực hiện đề tàì này.
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Từ nguyên bản tiếng Anh Ý nghĩa
CAD Computer Aided Design Thiết kế có sự trợ giúp máy tính
CAM Computer Automated Manufacturing Sản xuất tự động nhờ máy tính
CNC Computer Numerical Control Máy tính điều khiển số
ISF Incremental Sheet Forming Tạo hình tấm gia tăng
SPIF Single Point Incremental Forming Tạo hình gia tăng đơn điểm
MSPIF Multi-stage Single Incremental Forming Tạo hình gia tăng đơn điểm nhiều giai đoạn
TPIF Two Point Incremental Forming Tạo hình gia tăng hai điểm
FLD Forming limit diagram Biểu đồ giới hạn biến dạng
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Quá trình tạo hình tấm gia tăng một điểm –SPIF……………………………………..18
Hình 1.2 Quá trình tạo hình tấm gia tăng hai điểm -TPIF…………………………………….....19
Hình1.3 DSIF Machine…………………………………………………………………………..22
Hình 1.4 Máy ISF………………………………………………………………………………...23
Hình 1.5 Máy SPIF……………………………………………………………………………….24
Hình 1.6 Mẫu khuôn bánh được thiết kế trên Creo parametric…………………………………..25
Hình 1.7 Mẫu khuôn bánh được thiết kế trên Creo parametric………………………………….26
Hình 1.8 Hình chiếu 2D của “Mẫu tô”…………………………………………………………..27
Hình 1.9 Mẫu tô được thiết kế trên Creo parametric……………………………………………..27
Hình 1.10 Hình chiếu 2D của “Tranh nổi”…………………………………………………….....28
Hình 1.11 Mẫu tranh nổi được thiết kế trên Creo parametric…………………………………...29
Hình 2.1 Các thành phần lực…………………………………………………………………….33
Hình 2.2 Đồ thị biến thiên những thành phần lực tạo hình theo chiều sâu………………………34
Hình 2.3 Ảnh hưởng của tính dị hướng đàn hồi lên tải trọng tạo hình Fx……………………….35
Hình 2.4 Độ dày tấm theo định lý Sin. . . .……………………………………………………….36
Hình 2.5 Sơ đồ động TPIF………………………………………………………………………..39
Hình 2.6 Biều đồ biểu thị tương quan hình học và phân bố độ dày ứng với bán kính của sản phẩm sau gia công bằng hai phương pháp SPIF và MSPIF [3]………………………………40
Hình 2.7 So sánh Phân bố độ dày của sản phẩm giữa hai chiến lược DD và DU [5]………...…41
Hình 2.8 Độ đảo đầu dụng cụ ảnh hướng đến bề mặt tấm kim loại……………………………..42
Hình 2.9 Chiều cao nhấp nhô……………………………………………………………………44
Hình 2.10 Hiệu ứng đàn hồi (springback) và hiệu ứng gối ( pillow-effect) cùng các thông số đầu ra K1,K2.……… …………………………………………………………………………45
Hình 2.11 Ba vùng biến dạng của chày…………………………………………………………46
Hình 3.1 Máy SPIF………………………………………………………………………….......51
Hình 3.2 Máy pha giường……………………………………………………………………….51
Hình 3.3 Máy pha console………………………………………………………………………52
Hình 3.4 Dụng cụ gia công……………………………………………………………….……..52
Hình 3.5 Đồ gá gia công các chi tiết trên máy SPIF……………….…………………….……..54
Hình 3.6 Bật PC tổng trong xưởng……………………………………………………………...55
Hình 3.7 Bật PC máy SPIF……………………………………………………………………..56
Hình 3.8 Bật nguồn khởi động máy……………………………………………………………56
Hình 3.9 Bật nguồn khởi động máy trên bảng điều khiển……………………………………..57
Hình 3.10 Khóa trục chính của máy SPIF……………………………………………………..57
Hình 3.11 Mở khóa trục chính……………………………………………………………..…..58
Hình 3.12 Các bước gá đặt đồ gá , phôi……………………………………………………….59
Hình 3.13 Các bước OFFSET………………………………………………………………….60
Hình 3.14 Các bước chỉnh bằng tay…………………………………………………………....60
Hình 3.15 Home máy…………………………………………………………………………..61
Hình 3.16 Nhập chương trình và gia công……………………………………………………..62
Hình 4.1 TPYE_1………………………………………………………………………………65
Hình 4.2 TPYE_2………………………………………………………………………………65
Hình 4.3 TPYE_3……………………………………………………………………………....65
Hình 4.4 TPYE_SPIRAL………………………………………………………………………65
Hình 4.5 TPYE_ONE_DIR…………………………………………………………………….65
Hình 4.6 TPYE_1_CONNECT………………………………………………………………...66
Hình 4.7 CONSTANT_LOAD…………………………………………………………………66
Hình 4.8 SPIRAL_MAINTAIN_CUT_DIRECTION……………………………………..…..66
Hình 4.9 SPIRAL_MAINTAIN_CUT_TYPE…………………………………………………66
Hình 4.10 FOLLOW_HARDWALLS…………………………………………………………67
Hình 4.11 Đường gia công của dụng cụ với nhiều bước dao ngang…………………………...68
Hình 4.12 Chọn môi trường gia công và đặt tên file ………………………………………..…68
Hình 4.13 Chọn máy gia công………………………………………………………….………69
Hình 4.14 Thiết lập dao ………………………………………………………………………..70
Hình 4.15 Các thông số công nghệ gia công…………………………………………………...71
Hình 4.16 Mô phỏng đường chạy dao………………………………………………………….72
Hình 4.17 Giao diện phần mềm CIMCO……………………………………………………….73
Hình 5.1 Bản vẽ chi tiết của “Mẫu khuôn bánh”………………………………………………74
Hình 5.2 Phôi tấm chuẩn bị gia công…………………………………………………………...76
Hình 5.3 Bảng thiết lập đơn vị………………………………………………………………….77
Hình 5.4 Tạo khối biên dạng cơ bản…………………………………………………………....78
Hình 5.5 Tạo biên dạng đáy khuôn……………………………………………………………..78
Hình 5.6 Tạo biên dạng các cạnh khuôn………………………………………………………..79
Hình 5.7 Tạo các cạnh đối xứng…………………………………………………………….…..79
Hình 5.8 Tạo các cạnh bo thành khuôn…………………………………………………………80
Hình 5.9 Mẫu khuôn bánh hoàn chỉnh…………………………………………………………..80
Hình 5.10 Gia công dưỡng ………………………………………………………………………81
Hình 5.11 Dụng cụ gia công………………………………………………………….………….82
Hình 5.12 Chiều chuyển động dụng cụ gia công ……………………………………….……….82
Hình 5.13 Sơ đồ gá đặt………………………………………………………………..………….83
Hình 5.14 Bảng thiết lập thông số công nghệ……………………………………………..……..88
Hình 5.15 Mô phỏng đường gia công khuôn bánh cho TPIF ( với bước tiến z 10)…………..….89
Hình 5.16 Code chương trình gia công chi tiết khuôn bánh…………………………………..….90
Hình 5.17 Gá phôi và thiết lập tọa độ gia công TPIF ………………………………………..…..91
Hình 5.18 Tiến hành gia công và sản phẩm sau khi gia công…………………….…………..….91
Hình 5.19 Bản vẽ chi tiết của “Mẫu tô ”……………………………………………………..…..92
Hình 5.20 Phôi tấm chuẩn bị gia công……………………………………………………..…….94
Hình 5.21 Bảng thiết lập đơn vị……………………………………………………………..…...95
Hình 5.22 Tạo khối biên dạng cơ bản………………………………………………………..…..95
Hình 5.23 Tạo 3 điểm…………………………………………………………………...………..96
Hình 5.24 Tạo mặt phẳng đi qua 3 điểm……………………………………………………...….96
Hình 5.25 Vẽ biên dạng các cánh hoa…………………………………………………….….…..97
Hình 5.26 Tạo các cạnh đối xứng………………………………………………………..…….…97
Hình 5.27 Tạo các cạnh bo thành khuôn……………………………………………….…..…….98
Hình 5.28 Tạo các cạnh hoa văn……………………………………………………….……..….98
Hình 5.29 Tạo các cạnh bo thành khuôn …………………………………...……………………99
Hình 5.30 Mẫu tô hoàn chỉnh………………………………………..…………………………...99
Hình 5.31 Dụng cụ gia công ……………………………………………………………………100
Hình 5.32 Chiều chuyển động dụng cụ gia công ……………………………………………….101
Hình 5.33 Sơ đồ gá đặt ……………………….. ……………………………………………….102
Hình 5.34 Bảng thiết lập thông số công nghệ…………………………………………………...107
Hình 5.35 Mô phỏng đường gia công mẫu tô cho MPIF ( với bước tiến z 2)…………………..107
Hình 5.36 Code chương trình gia công chi tiết tô mẫu……………………...…………………..109
Hình 5.37 Gá phôi và thiết lập tọa độ gia công MSPIF ……………………………………...…110
Hình 5.38 Tiến hành gia công và sản phẩm sau khi gia công………………………....………..111
Hình 5.39 Bản vẽ chi tiết của “Mẫu Tranh nổi ”……………………………………………….111
Hình 5.40 Phôi tấm chuẩn bị gia công…………………………………………………………..112
Hình 5.41 Bảng thiết lập đơn vị…………………………………………………………………113
Hình 5.42 Vẽ biên dạng chữ 2D………………………………………………………………...114
Hình 5.43 Vẽ biên dạng đồng tiền………………………………………………………………115
Hình 5.44 Vẽ gân tranh nổi……………………………………………………………………..116
Hình 5.45 Bo góc các cạnh……………………………………………………………………...117
Hình 5.46 Sản phẩm hoàn chỉnh………………………………………………………………..117
Hình 5.47 Dụng cụ gia công…………………………………………………………………….118
Hình 5.48 Chiều chuyển động dụng cụ gia công ……………………………………………….118
Hình 5.45 Sơ đồ gá đặt gia công chi tiết tranh nổi ……………………………………….…….119
Hình 5.50 Bảng thiết lập thông số công nghệ…………………………………………………...124
Hình 5.51 Mô phỏng đường gia công mẫu tô cho MSPIF ( với bước tiến z 7)…………………124
Hình 5.52 Code chương trình gia công chi tiết tô mẫu……………………...…………………..125
Hình 5.53 Gá phôi và thiết lập tọa độ gia công MSPIF ……………………………………...…126
Hình 5.54 Tiến hành gia công và sản phẩm sau khi gia công………………………....………..127
Hình 6.1 Tính toán kinh tế về “Khuôn Bánh”…………………………………………………..128
Hình 6.2 Đồ thị chi phí ISF và Dập của “Khuôn Bánh”………………………………………..130
Hình 6.3 Tính toán kinh tế về “Tô mẫu”……………………………………………………….131
Hình 6.4 Đồ thị chi phí ISF và Dập của “Tô mẫu”……………………………………………..133
Hình 6.5 Tính toán kinh tế về “Tranh mẫu”……………………………………………………134
Hình 6.6 Đồ thị chi phí ISF và Dập của “Tranh nổi”…………………………………………..136
Hình 6.7 Sơ đồ đánh giá mức ưu thế của ISF và Dập qua số lượng và độ phức tạp……………137
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Bảng vật liệu và đặc tính dùng để thử nghiệm mối liên hệ giữa khả năng biến dạng với tạo hình biến dạng đối xứng……………................................................39
Bảng 5.1 Thành phần hóa học tiêu biểu cho hợp kim nhôm AL -1050……………......76
Bảng 5.2 Bảng chế độ gia công “Khuôn bánh”………………………………………...87
Bảng 5.3 Bảng thông số bù dụng cụ gia công …………………………………………87
Bảng 5.4 Thành phần hóa học tiêu biểu cho hợp kim nhôm AL -1050…………….......95
Bảng 5.5 Bảng chế độ gia công “Tô mẫu” ……………………………………………..105
Bảng 5.6 Bảng thông số bù dụng cụ gia công ………………………………………….106
Bảng 5.7 Thành phần hóa học tiêu biểu cho hợp kim nhôm AL -1050…………….......113
Bảng 5.8 Bảng chế độ gia công “Tranh nổi”……………………………………………122
Bảng 5.9 Bảng thông số bù dụng cụ gia công …………………………………...……..123
Bảng 6.1 Bảng chi phí cho một sản phẩm “ Khuôn Bánh”…………………………….127
Bảng 6.2 Bảng chi phí cho nhiều sản phẩm“ Khuôn Bánh”……………………………127
Bảng 6.3 Bảng chi phí cho một sản phẩm “ Tô mẫu”………………………………….130
Bảng 6.4 Bảng chi phí cho nhiều sản phẩm“ Tô mẫu”…………………………………130
Bảng 6.5 Bảng chi phí cho một sản phẩm “ Tranh nổi”………………………………..133
Bảng 6.6 Bảng chi phí cho nhiều sản phẩm“ Tô mẫu”………………………………….133
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÁY SPIF
1.1.Khái quát về đề tài nghiên cứu
Tạo hình tấm gia tăng hai điểm - Two Point Incremental Forming (viết tắt là TPIF) là một quá trình tạo hình kim loại dạng tấm để sản xuất các thành phần chức năng tùy chỉnh phức tạp theo dạng sản xuất đơn chiếc cho các ứng dụng về lĩnh vực máy bay, y sinh và ô tô, các lĩnh vực khác,…
Trong bài luận văn này tập trung nghiên cứu các ứng dụng công nghệ tạo hình cục bộ liên tục TPIF tạo hình các sản phẩm dân dụng . Lập quy trình công nghệ , lập trình gia công tạo hình sản phẩm dân dụng bằng công nghệ TPIF , mô phỏng thiết kế lập trình trên phần mền Creo và thực hiện tạo mẫu mô hình trên máy SPIF tại xưởng C1 trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM . Vật liệu dùng để nghiên cứu là hợp kim nhôm AA-1050 độ dày 1.2mm.
1.1.1. Lịch sử phát triển
Mặc dù ý tưởng ban đầu về tạo hình tấm bằng biến dạng gia tăng (ISF) đã được hình thành cách đây gần 40 năm, được đăng ký phát minh bởi Leszak (1967) nhưng không thể đưa vào ứng dụng cho đến những năm gần đây, một trong những nguyên nhân là sự phát triển của máy CNC. Công nghệ này bắt đầu xuất hiện nhiều trong những tài liệu khoa học vào đầu những năm 90 .Quá trình này được phát triển nhằm đáp ứng sự thiếu hụt khả năng tạo mẫu nhanh trong lĩnh vực biến dạng kim loại tấm.
Một vài quá trình biến dạng kim loại tấm cổ điển 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 dụng của chày xuống khuôn để kéo giãn vật liệu đạt được hình dạng mong muốn (một dạng khác, được gọi là vuốt sâu vì độ sâu của chi tiết bị biến dạng.
Trong sản xuất hàng loạt lớn, những phương pháp này mang lại hiệu quả cao vì thời gian tạo ra sản phẩm rất ngắn và chi phí cho chày với khuôn lớn có thể được thu hồi bởi số lượng lớn sản phẩm. Tuy nhiên, đối với tạo mẫu và sản xuất loạt nhỏ thì thời gian gia công cũng như giá của khuôn với chày là quá cao.
Ngoài các phương pháp trên còn có công nghệ Miết (spinning). Miết được xem là tiền thân của biến dạng kim loại tấm không đối xứng. Miết có thể phân loại thành 3 loại cơ bản sau: miết thường (conventional spinning), miết dẻo (shear spinning) và miết ống (flow forming). Trong đó miết dẻo được xem là cơ sở của tạo hình gia tăng không 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.
Quá trình miết dẻo thường được xem là cơ sở của phương pháp biến dạng gia tăng .Cả hai quá trình này đều “yêu 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 “gốm” .
Quá trình miết truyền thống cùng với một số dạng sản phẩm có thể được làm bằng phương pháp này, theo đó, “phôi tấm phẳng hay đã bị biến dạng hình tròn 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. Quá trình này trải qua một loạt các bước (pass) và yêu cầu người đứng máy có tay nghề cao. Miết truyền thống đặc biệt thích hợp với chi tiết có dạng hình côn và dạng đường cong, những hình khác có thể khó gia công hoặc không 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 thường 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 phôi ban đầu.
Phù hợp hơn với phôi dày, quá trình miết dẻo đạt được những kết quả khác so với phương pháp miết truyền thống. Quá trình này tạo ra những sản 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 vật đối xứng (mandrel). Chi tiết điển hình là chi tiết dạng mũi của tên lửa. Đường kính lớn nhất của chi tiết có thể lên đến 3m. Quá trình này bỏ đi ít vật liệu và có thể hoàn thành trong thời gian ngắn. Khả năng miết của kim loại được xác định bằng chiều dày nhỏ nhất có thể giảm đến khi miết không bị rách.
Hạn chế lớn của phương pháp miết là chỉ có thể gia công các chi tiết có hình dạng đối xứng. Đồng thời phương pháp này cũng không có tính linh hoạt cao vì với mỗi sản phẫm ứng với một chày khác nhau. Tương tự như dập cũng phải tốn chi phí cho chày và khuôn. Miết được xem là cơ sở của công nghệ tạo hình gia tăng không đối xứng.
1.1.2. Giới thiệu về tạo hình tấm gia tăng
Thông thường, các phương pháp gia công tấm luôn đòi hỏi nhưng yêu cầu cao về việc chuẩn bị công cụ, mà ở đó, phải kể đến nhu cầu của một bộ khuôn bao gồm mỗi khuôn đi kèm với từng chi tiết đơn lẻ khác nhau, song chi phí bỏ ra để gia công khuôn không rẻ đồng thời việc chuẩn bị khuôn cũng tốn rất nhiều thời gian. Do đó, nhằm giảm chi phí và gia tăng tốc độ gia công đối với một chi tiết mới, các phương pháp gia công không dùng khuôn đã ra đời và trong số đó, nổi lên là một phương pháp gia công kim loại tấm không dùng khuôn tiên tiến, sử dụng giải thuật CNC.
Tạo hình tấm gia tăng (ISF) là một kỹ thuật mới trong tạo hình kim loại tấm. Chi tiết có hình dạng phức tạp có thể được tạo hình bằng cách sử dụng máy tính điều khiển số thiết bị (CNC). Quá trình sử dụng dữ liệu CAD chính xác để miêu tả chi tiết gia công. Không yêu cầu có nguyên công gia công bằng tay đáng kể, và vì thế khả năng lặp lại của quá trình rất tốt. Hạn chế của quá trình là thời gian tạo hình tương đối dài. Vì lý do này, ISF có thể thực hiện được trong tạo mẫu và sản xuất loạt nhỏ. Kỹ thuật tạo hình gia tăng được phát triển trong khoảng một thập niên gần đây.
Quá trình tạo hình tấm gia tăng được dựa trên nguyên tắc gia công theo lớp, ở đây mô hình được chia nhỏ thành từng lát cắt ngang. Đường chạy dao được điều khiển số được soạn sử dụng đường viền của những lát cắt này. Trong quá trình, dụng cụ tạo hình dạng bán cầu đơn di chuyển dọc theo đường chạy dao được điều khiển NC.
Dụng cụ di chuyển xuống, tiếp xúc tấm, vẽ một đường viền trên mặt phẳng ngang, sau đó thực hiện một bước xuống, vẽ đường viền kế tiếp và cứ như thế tiếp tục cho đến khi nguyên công hoàn tất. Quá trình có thể được thực hiện trên máy phay vạn năng CNC 3, 5 trục hoặc robot công nghiệp. Để soạn mã NC, phần mềm CAM đa năng được dùng.
Các cạnh còn dư của tấm thường được cố định trong mặt phẳng nằm ngang bằng dụng cụgiữ tấm đặc biệt trong suốt quá trình.
Nói chung có thể được chia thành hai loại chính : Tạo hình tấm gia tăng một điểm – SPIF (không có dưỡng) và tạo hình tấm gia tăng hai điểm – TPIF (có dưỡng ), cũng được gọi tương ứng là tạo hình lõm và tạo hình lồi. Thông thường, tạo hình lồi cho phép đạt kết quả tốt hơn nhưng nó phức tạp hơn.
Hình 1.1 Quá trình tạo hình tấm gia tăng một điểm –SPIF
Hình 1.2 Quá trình tạo hình tấm gia tăng hai điểm -TPIF
Quá trình sử dụng một dụng cụ đầu trơn, tiêu chuẩn, đường kính có thể nhỏ hơn rất nhiều so với chi tiết được gia công, được gá trên máy phay CNC ba trục. Suốt quá trình biến dạng, dụng cụ di chuyển theo một chuỗi các đường cong kín theo hình dạng cuối cùng của chi tiết và biến dạng mở rộng dần cho đến hình dạng mong muốn ,sự biến dạng chỉ hạn chế trong vùng xung quanh dụng cụ .Những vùng không tiếp xúc với dụng cụ sẽ không bị biến dạng dù chúng có thể bị dịch chuyển và quay.
Xu hướng mới trong ISF là sử dụng robot công nghiệp di chuyển dụng cụ tạo hình hoặc dùng hai robot – một cho di chuyển dụng cụ, một cho di chuyển dưỡng.
1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về công nghệ TPIF
Hiện nay trên thế giới, công nghệ tạo hình tấm bằng phương pháp biến dạng gia tăng chỉ mới phát triển trong hơn 1 thập niên gần đây và hiện tại đang được đầu tư nghiên cứu phát triển mạnh mẽ. Đã có nhiều công trình nghiên cứu khoa học và luận văn của các tác giả về lĩnh vực này. Điển hình là tác giả J.Jeswiet. Trong công trình nghiên cứu của các tác giả này đã đề cập đến góc biến dạng lớn nhất, độ nhám bề mặt của sản phẩm, sai lệch hình dạng của sản phẩm. Tác giả J.Jeswiet, D. Young, D. Ham của đại học Queen’s, Canada đã xây dựng biểu đồ giới hạn công nghệ tạo hình (FLD) bằng biến dạng gia tăng không truyền thống. Bên cạnh đó J.Jeswiet cũng nghiên cứu ảnh hưởng một số thông số như bề dày tấm, đường kính chạy dao và lượng chạy dao đến góc tạo hình của vật liệu nhôm AA3003. Ngoài ra, một số công trình khác cũng đề cập đến khả năng ứng dụng của công nghệ gia công kim loại tấm bằng biến dạng gia tăng bằng cả hai phương pháp tiếp xúc đơn điểm và hai điểm. Vật liệu tấm để gia công bên cạnh những kim loại dễ biến dạng dẻo thông thường như nhôm, titan,…người ta đã sử dụng đến thép chống gỉ. Hiện tại, đã có nghiên cứu về công nghệ này trên vật liệu tấm là polymer. Đã có một số sản phẩm công nghiệp được làm ra bằng phương pháp này được triển lãm tuy chưa đưa vào ứng dụng thực tế.
Nhìn chung, các công trình nghiên cứu này vẫn chưa được hoàn thiện vì chỉ tập trung vào một vài thông số của quá trình, và bản thân công nghệ này vẫn còn rất nhiều vấn đề cần làm sáng tỏ, nhất là phải xây dựng được mô hình dự đoán góc biến dạng lớn nhất của những loại vật liệu khác nhau.
- Các điểm trên thế giới đang tiến hành nghiên cứu về biến dạng tấm ví dụ như :
* Ở Đại học Northwestern:
Phòng thí nghiệm Quy trình Sản xuất Tiên tiến (AMPL)
Kỹ thuật Cơ khí, Đại học Northwestern họ tiến hành nghiên cứu: “AMPL Toolpaths”từ đó giúp cải thiện việc theo dõi khảo sát tiến trình gia công chi tiết tấm chặt chẽ hơn , cụ thể là :
AMPL Toolpaths là một sản phẩm phần mềm tối giản được thiết kế cho mục đích tạo và hiển thị các đường chạy dao tạo hình trang tính gia tăng (ISF). ISF là một quá trình linh hoạt, trong đó một tấm kim loại được hình thành do sự tiến triển của biến dạng cục bộ. Nó linh hoạt vì không cần phải có dụng cụ chuyên dụng; một công cụ đơn giản di chuyển trên bề mặt của tấm để gây ra biến dạng dẻo cục bộ cao. Do đó, một loạt các hình dạng 3D có thể được tạo ra bằng cách di chuyển công cụ dọc theo một đường dẫn được thiết kế chính xác. Mục tiêu chính thúc đẩy sự phát triển của ISF là khả năng tạo hình kim loại tấm mà không cần sản xuất khuôn dập chuyên dụng. Điều này đặc biệt thuận lợi cho sản xuất hàng loạt nhỏ hoặc sản xuất theo yêu cầu. ISF vẫn đang trong quá trình nghiên cứu tích cực và các chiến lược hình thành cải tiến liên tục được đề xuất tại hiện trường.
Việc tạo ra các đường chạy dao trong ISF đưa ra những thách thức khá độc đáo so với thiết kế đường chạy dao thông thường, như thường thấy trong gia công CNC. Trong gia công CNC, có thể an toàn khi giả định rằng vật liệu sẽ được tháo / cắt trong và xung quanh vị trí hiện tại của công cụ, điều này theo thuật ngữ CAD, có thể được chụp bằng cách sử dụng thao tác boolean âm đơn giản giữa công cụ và chi tiết gia công rắn. Mặt khác, tấm kim loại trong ISF uốn cong, mỏng cục bộ, kéo dài và lò xo trở lại trong quá trình tạo hình, tất cả đều là những thách thức để dự đoán và tính đến trong quá trình tạo đường chạy dao. AMPL Toolpaths sử dụng các quy trình mới khác nhau, nhiều quy trình vẫn đang được tích cực nghiên cứu (ví dụ: trang web AMPL), để vượt qua một số thách thức đã đề cập ở trên và tạo ra các đường chạy dao đáng tin cậy cụ thể cho quy trình ISF.
* Bài nghiên cứu của Presenter: Prof. Jian Cao nghiên cứu về “Dieless Incremental Sheet Forming”
Hình1.3 Máy DSIF
1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước về công nghệ TPIF
- Trong kỹ thuật: sửa chữa (ôtô…) hay sản xuất các chi tiết tiêu chuẩn phổ biến như đệm bulông, ống thông khí, điều hòa, ống khói…
- Trong đời sống: Dụng cụ văn phòng, gia dụng như xoong nồi ấm nước, thìa, ly, tô…
- Đối với nghiên cứu TPIF vì còn rất mới, nên chưa được nghiên cứu rộng rãi tại nước ta. Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia - DCSE LAB tại trường ĐH Bách Khoa TP.HCM đã tiến hành các nghiên cứu ban đầu về công nghệ TPIF.
Hình 1.5 Máy SPIF
1.4. Các tồn tại và định hướng nghiên cứu
Phương phápcó nhiều ưu thế:
- Không dùng khuôn: Đi thẳng từ mô hình CAD đến TPIF không tốn quá nhiều thời gian và tiền bạc để chế tạo khuôn .
- Vùng biến dạng dẻo nhỏ và sự gia tăng của qúa trình góp phần làm tăng khả năng biến dạng, giúp tấm kim loại dễ tạo hình hơn.
- Quá trình gia công không gây tiếng ồn lớn.
- Có thể gia công các sản phẩm không đối xứng .
- Phù hợp với công đọan tạo mẫu của quá trình thiết kế và phát triển sản phẩm và với trường hợp sản xuất đơn chiếc.
- Không đòi hỏi dụng cụ phức tạp (chỉ cần đầu miết và dưỡng), thiết bị gia công phức tạp và đắt tiền máy phay hay tiện CNC truyền thống có thể thực hiện được quá trình này .
- Có hiệu quả kinh tế :
+ Rút ngắn thời gian hình thành chi tiết mẫu ban đầu từ bản vẽ.
+ Ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: Tạo mẫu (trong giai đoạn thiết kế công nghiệp phục vụ cho chế tạo thử), y tế,dân dụng, ô tô...
+ Sản phẩm có độ bóng và chính xác tương đối .
- Nhiều cơ hội phát triển:
+ Trên thế giới: đang phát triển.
+ Ở trong nước: chưa phát triển.
Nhưng bên cạnh đó còn nhiều hạn chế và tồn tại:
- Hạn chế chính là thời gian tạo hình dài hơn nhiều so với những phương pháp tương đương như dập sâu( deep drawing).
- Có thể xuất hiện các vết rách, đùn vật liệu tại góc có biến dạng lớn (góc 900).
- Ảnh hưởng bề dày thành vật thành phẩm do sự mỏng đi đáng kể của tấm kim loại bị biến dạng, hình thành các khuyết tật khi gia công.
- Giới hạn trong sản xuất nhỏ.
- Quá trình tạo hình có thể trải qua nhiều bước.
1.5. Xác định mục tiêu, đối tượng,nội dung
1.5.1 Mục tiêu
Nghiên cứu, đưa ra quy trình công nghệ gia công bằng phương pháp TPIF, ứng dụng công nghệ tạo hình cục bộ liên tục TPIF tạo hình các sản phẩm dân dụng, sau đó đánh giá kết quả sản phẩm sau khi gia công.
1.5.2 Đối tượng
Đối tượng nghiên cứu : Ba sản phẩm dân dụng có thể gia công phương pháp tạo hình cục bộ liên tục TPIF thực hiện được.
1.5.3 Nội dung
- Tìm hiểu các đặc điểm của sản phẩm.
- Yêu cầu sản phẩm .
- Lập trình tạo hình sản phẩm bằng công nghệ TPIF
- Ứng dụng tạo hình một số sản phẩm dân dụng bằng công nghệ TPIF
1.5.4 Phương pháp nghiên cứu
- Thực nghiệm gia công sản phẩm dân dụng gồm các bước:
+ Thực hiện tạo mình CAD, 3D
+ Thực hiện tạo mô hình CAM
+ Tạo dưỡng , gia công tạo sản phẩm trên máy SPIF
+ Đánh giá sản phẩm sau khi hoàn thành.
- Ba sản phẩm được chọn làm đối tượng nghiên cứu là :
a) Mẫu khuôn bánh
- Vật liệu sản phẩm : Hợp kim nhôm 1050 (AA -1050) độ dày 1,2 mm.
- Vật liệu dưỡng : CT3 .
- Các đặc điểm sản phẩm:
+ Có biên dạng đối xứng, độ dốc biến dạng tương đối ( ~520) , phân bố không đều.
+ Độ dốc cao lớn (~ 40 mm).
- Yêu câu sản phẩm:
+ Sản phẩm hoàn thành không có vết rách.
+ Là sản phẩm dân dụng nên yêu cầu có bề mặt đạt độ bóng tương đối
- Mô hình CAD của mẫu khuôn bánh:
Hình 1.6 Hình chiếu 2D của “Mẫu khuôn bánh ”
- Mô hình 3D của mẫu khuôn bánh được vẽ bằng phần mền Creo parametric.
Hình 1.7 Mẫu khuôn bánh được thiết kế trên Creo parametric
b) Mẫu tô
- Vật liệu sản phẩm : Hợp kim nhôm 1050 (AA -1050) độ dày 1,2 mm.
- Các đặc điểm sản phẩm:
+ Có biên dạng đối xứng, độ dốc biến dạng tương đối ( ~520), phân bố tương đối đều.
+ Độ dốc cao (~ 31 mm).
- Yêu câu sản phẩm:
+ Sản phẩm hoàn thành không có vết rách.
+ Là sản phẩm dân dụng nên yêu cầu có bề mặt đạt độ bóng tương đối
- Mô hình CAD của mẫu tô:
Hình 1.8 Hình chiếu 2D của “Mẫu tô”
- Mô hình 3D của mẫu tô được vẽ bằng phần mền Creo parametric.
Hình 1.9 Mẫu tô được thiết kế trên Creo parametric
c) Mẫu tranh nổi
- Vật liệu sản phẩm : Hợp kim nhôm 1050 (AA -1050) độ dày 1,2 mm.
- Các đặc điểm sản phẩm:
+ Có biên dạng không đối xứng, độ dốc biến dạng ( ~900) , phân bố không đều.
+ Độ dốc cao (~ 6.3 mm).
- Yêu cầu sản phẩm:
+ Sản phẩm hoàn thành không có vết rách.
+ Là sản phẩm dân dụng nên yêu cầu có bề mặt đạt độ bóng tương đối
- Mô hình CAD của mẫu tranh nổi :
Hình 1.10 Hình chiếu 2D của “Tranh nổi”
- Mô hình 3D của mẫu tranh nổi được vẽ bằng phần mền Creo parametric.
Hình 1.11 Mẫu tranh nổi được thiết kế trên Creo parametric
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ TPIF
2.1.Cơ sở lý thuyết của công nghệ SPIF
Hầu hết những nghiên cứu về phương pháp tạo hình cục bộ liên tục liên quan đến các ứng dụng và giới hạn tạo hình của tiến trình. Phần lớn các nghiên cứu cho rằng khả năng tạo hình của tiến trình có thể được quyết định bởi 4 thông số :
|
1.Độ dày của tấm. |
2. Bước xuống theo chiều Z của dụng cụ mỗi vòng quay. |
|
4. Bán kính dụng cụ tạo hình. |
Ảnh hưởng của thông số đầu tiên thường theo quy luật hình sin. Còn thông số thứ 2 , mặc dù các ý kiến chung cho rằng khả năng biến dạng giảm cùng với sự tăng kích thước nhịp nhưng nghiên cứu gần đây lại cho thấy kích thước nhịp tự nó không gây ra các ảnh hưởng lớn lên khả năng biến dạng. Tốc độ dụng cụ gây ảnh hưởng lên các điều kiện ma sát tại nơi giao tiếp tấm và dụng cụ . Dụng cụ tạo hình có đường kính nhỏ hơn sẽ cho bề mặt tạo hình tốt hơn do mật độ tiếp xúc dụng cụ tạo hình trong vùng biến dạng lớn hơn. Đường kính dụng cụ lớn có xu hướng làm cho biến dạng trải đều trên một vùng rộng lớn hơn làm cho tiến trình xảy ra gần giống như dập ép truyền thống. Mặc dù đa số các nghiên cứu áp dụng trong công nghiệp đã cho thấy những đặc tính tốt hơn của giới hạn tạo hình nhưng các nguyên lý biến dạng của quá trình trên vẫn chưa được hiểu một cách rõ ràng.
2.1.1. Trạng thái của ứng suất và biến dạng
Các giả thiết đơn giản hóa theo sau các điều kiện sau: Vật liệu đã được kẹp chặt, ứng suất hợp lực các ma sát đẳng hướng tác dụng lên mặt tiếp xúc dụng cụ - tấm bao gồm hai thành phần tại đó, một thành phần theo đường sinh µΦ– gây ra do sự dịch chuyển xuống của dụng cụ và một thành phần chi vi µ0-do sự ăn mòn dụng cụ xung quanh gây ra theo sự quay của dụng cụ . Giả thiết cuối là hệ số ma sát được tính như sau :
µ = (2.1)
2.1.2. Ma sát ở mặt tiếp xúc dụng cụ tấm
Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra ảnh hưởng của ma sát dọc theo hướng chu vi có thể bỏ qua, theo đó chỉ có lực ma sát tác dụng theo hướng đường sin là cần thiết để tính .
2.1.3. Xét ảnh hưởng của thành chi tiết lân cận đến dụng cụ tạo hình
Bắt đầu phương trình cân bằng màng dọc theo hướng chiều dày tấm và chú ý khi không có độ cong ( r = vô cùng) cũng không có áp suất tiếp xúc ( бt =0) trên bề mặt thành phần giới hạn . có thể kết luận rằng бo =0 dọc theo thành chi tiết kề cận đến dụng cụ . Vì ứng suất theo đường sinh бΦlà ứng suất duy nhất tác dụng lên vùng này, điều kiện cân bằng theo thành của tấm như sau :
б ΦD = бΦc. (2.2)
Theo phương trình (2.3) độ giảm ứng suất theo đường sinh бΦ dọc theo thành của tấm lớn hơn khi chuyển tiếp tại C và nhỏ hơn điểm D. Vì ứng suất theo hướng đường sinh tại C phải giữ ở mức dưới giới hạn dẻo ( cho một vật liệu hoàn toàn dẻo) dẫn đến bề mặt thành của tấm kề cận đến dụng cụ là vùng biến dạng đàn hồi.
2.1.4. Sự giảm chiều dày ở bán kính góc
Bắt đầu từ sự đơn giản hóa của điều kiện cân bằng tấm theo hướng đường sinh, bỏ qua ma sát và đưa ra các điều kiện biên r = rB, бΦ= бΦB, t= t0
б Φ = бΦB. (2.3)
Ý nghĩa vật lý của phương trình (2.3) là việc giảm chiều dày t sẽ có xu hướng cân bằng với tăng ứng suất theo đường sinh б Φ , do đó б Φt là hằng số trong một vùng biến dạng dẻo cục bộ nhỏ. Nó cho thấy rằng sự thay đổi chiều dày thành dốc của tấm có thể được xác định theo quy luât hình sin: t = t0sinλ , lý do tại sao xảy ra việc mỏng dần thành phải liên hệ với ứng suất kéo б Φ theo chiều sin hơn là trượt đặt trên các vùng biến dạng dẻo cục bộ.
2.1.5. Tấm lót và trạng thái ứng suất
Quá trình TPIF của tấm nhôm AA- H111 với chiều dày lớn hơn hay bằng 1,5 mm đã được thử nghiệm các vấn đề vể chất lượng bề mặt và chỉ ra các ứng dụng của tấm lót được chèn vào giữa dụng cụ và tấm phôi để tránh sự tiếp xúc trực tiếp , nhằm tránh sự ma sát giữa tấm phôi và dụng cụ quay. Kết quả nhận thấy rằng tấm lót ngăn cản các hư hỏng bề mặt gây ra bởi sự ăn mòn và do đó cản thiện đáng kể chất lượng bề mặt của thành phần biến dạng.
Những đo đạc thực tế gần đây, được tiến hành bởi nhiều tác giả so sánh góc xuống dao cực đại Ѱmax mà phôi AA1050 – H111 có thể chịu được khi tạo hình kim tự tháp trong trường hợp có và không có tấm lót cũng có kết quả tương tự như lý thuyết nhưng sự sụt giảm khả năng biến dạng đó không lớn.
2.1.6. Cơ sở lý thuyết gia công tạo hình bằng công nghệ SPIF
a. Quan hệ giữa góc tạo hình và biến dạng
Bắt đầu từ tác dụng của ứng suất theo phương đường sin lên phần tử tấm ở trạng thái biến dạng phẳng hoặc những điều kiện kéo theo hai phương và sự thay đổi chiều dày thực tế t bởi định luận sin t = t0sinλ , ta nhận được :
(2.4)
Trong đó k là hằng số và bằng 1 hoặc 2 tương ứng với điều kiện biến dạng phẳng hoặc sự kéo căng đẳng hướng và λ = là góc nửa nón, phần bù của góc giữa bề mặt thành nghiêng và hình dạng phẳng ban đầu của tấm. Giá trị điển hình của góc xuống dụng cụ lớn nhất trong TPIF có thể xấp xỉ giá trị của λ và tính bằng :
= . (2.5)
Từ công thức trên có thể thấy rằng góc xuống dụng cụ lớn nhất Ѱmax ( cho ứng suất theo phương đứng < tăng với chiều dày ban đầu t0 của tấm và giảm khi bán kính dụng cụ giảm . Đánh gia định tính này với kết quả thí nghiệm cung cấp nền tảng cho việc xác định khả năng biến dạng của vật liệu bằng việc xây dựng đồ thị quan hệ giữa góc xuống dụng cụ lớn nhất Ѱmax như một hàm của chiều dày ban đầu t0 của tấm kim loại .
b. Lực tạo hình
Mô hình lý thuyết đơn giản để định các thành phần lực tạo hình trong ISF được đề xuất bởi Iseki . Để tính toán đần hồi không đẳng hướng , tiêu chuẩn hiệu suát cổ điển Von Mises được thay thế, vật liệu được giả thiết có tính dị hướng . Tiêu chuẩn hiệu suất bậc hai và cao hơn của Hill được sử dụng để mô tả dị hướng . Hàm biểu diễn thành phần tải trọng Fx và Fz được cho như sau:
Fx = Ft (1- cosα) (2.6)
Fz = Ft .sinα (2.7)
Trong đó , Ft và α biểu diễn lực kéo và góc tiếp xúc . Dạng hình học của góc tiếp xúc α được cho trên hình 2.1 ở đây:
λ = 900 - α
Hình 2.1 Các thành phần lực
Chúng ta tập trung vào tính toán lực kéo Fz vì nó phụ thuộc vào tính chất vật liệu bao gồm tính đàn hồi không đẳng hướng. Sự kéo giãn của tấm kim loại dưới điều kiện biến dạng phẳng được thừa nhận , bỏ qua ứng suất uốn và lực ma sát. Lực kéo được tính toán xấp xỉ bằng :
Ft = Aбx = 2 R tбx (2.8)
Trong mặt cắt ngang của dải đã tạo hình , thành phẩn ứng suất trên trục x, bán kính dụng cụ và chiều dày tấm được ký hiệu là бx , R, t. Ở đây ta giả thiết thành phần ứng suats theo hướng chiều dày tấm бt và thành phần biến dạng εy nhỏ không đáng kể( trục y vuông góc với hướng di chuyển dụng cụ ).
Hình 2.2 Đồ thị biến thiên những thành phần lực tạo hình theo chiều sâu
Trong hình 2.3 các thành phần lực tạo hình Fx , tương ứng với những giá trị khác nhau của thông số dị hướng đàn hồi Ra. Trong trường hợp Ra =1 ( vật liệu đẳng hướng ), kết quả đạt được từ mô hình thí nghiệm và mô hình của Iseki phù hợp [1]. Từ sơ đồ 2.3 có thể thấy rằng ảnh hưởng của tính dị hướng đàn hồi đến khả năng tạo hình vật liệu rất quan trọng. Thành phần tải trọng tạo hình Fx tăng theo giá trị tăng lên của thông số dị hướng Ra.
Hình 2.3 Ảnh hưởng của tính dị hướng đàn hồi lên tải trọng tạo hình Fx
2.1.7. Cơ sở lý thuyết xác định các thông số gia công tạo hình
Khả năng biến dạng của vật liệu được đặc trưng bởi góc biến dạng lớn nhất α , nó chịu ảnh hưởng bởi các thông số sau:
-Độ dày của tấm
Bề dày tấm kim loại ảnh hưởng lên góc xuống dao lớn nhất . Theo định lý Sin:
t =t0sinλ = t0cosα (2.9)
chiều dày tấm càng lớn thì góc α càng lớn , làm tăng khả năng tạo hình. Điều này đúng cho giới hạn tạo hình nghiên cứu AA 1050-O. Phương pháp biến dạng tạo hình này thích hợp để biến dạng cho các vật liệu tấm như nhôm, đồng, sắt, bạch kim, thép HS, thép không gỉ, hợp kim Ti, hợp kim Magiê và thép TRIP. Cũng có thể dùng các thép tấm dạng lưới để biến dạng tạo hình.
Ngoài ra phương pháp này củng phù hợp cho tạo mẫu nhanh đối với vật liệu nhựa nhiệt dẻo, đặc biệt là vật liệu nhựa nhiệt dẻo của nhóm gồm polystyrene, polyethylene, polypropylene và polycarbonate.
Tùy theo kích thước sản phẩm và kích thước đồ gá mà ta cắt phôi theo những kích thước tương ứng. Bề dày phôi tấm cần chọn để biến dạng thì tùythuộc vào góc biếndạng lớn nhất và bề dày của sản phẩm sau khi biến dạng mà ta cần đạt được, được tính theo công thức sau, dựa vào định lý Sin:
Hình 2.4 Độ dày tấm theo định lý Sin
TCB = TABsin(90-α)
Ngoài ra độ dày tấm tối đa là khác nhau cho mỗi máy CNC. Yếu tố quan trọng cần chú ý là lực ép cần thiết mà máy CNC cung cấp để tạo hình. Khi đó độ bền kéo của tấm thay đổi tùy theo vật liệu được sử dụng, các lực ép tạo hình. Do đó độ dày tấm tối đa phụ thuộc vào vật liệu và máy sử dụng. Ví dụ như độ dày vật liệu có thể từ 0,5…2 mm đối với thép không gỉ và 0,5… 4mm cho nhôm.
- Tốc độ quay trục chính
Công ty TNHH Thương Mại Dịch Vụ Kỹ Thuật Cơ Khí Thành Phát
Tăng tốc độ quay trục chính (v/p) có thể tăng khả năng tạo hình . Khả năng tạo hình tăng lên do tỏa nhiệt cục bộ của tấm và sự giảm ma sát giữ dụng cụ tạo hình và phôi . Có một hạn chế , đó là dụng cụ sẽ bị mòn nhanh chóng và phải tăng thêm số lượng chất bôi trơn. Nếu vật liệu nhôm AA 1050 – 0 trong trường hợp này có khả năng tạo hình tương đối thấp thì đối với một số vật liệu tạo hình tốt hơn như AA 8008-0 có thể dùng thay thế khi tốc độ trục chính yêu cầu. Quy luật chung cho các loại vật liệu chưa được xác định.
Chiều quay của trục chính thuận và nghịch có ảnh hưởng trực tiếp đến việc gia công SPIF.
- Bước xuống dụng cụ
Bước xuống dụng cụ Δz ( độ dốc) có ảnh hưởng đến khả năng tạo hình và độ nhám bề mặt. Khi tăng Δz , tồn tại các khoảng trống phải chịu những điều kiện biến dạng nặng nề. . Đối với bước xuống dụng cụ càng nhỏ sẽ cho chất lượng mặt của sản phẩm tốt hơn nhưng ngược lại sẽ tốn thời gian gia công nhiều hơn.
- Đường kính dụng cụ
Đường kính dụng cụ có ảnh hưởng lớn . 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 mở rộng hơn. Khi đường kính dụng cụ tăng lên, quá trình càng giống với dập truyền thống làm giảm giới hạn tạo hình. Việc giảm kích thước dụng cụ sẽ tăng giới hạn tạo hình. Khi đường kính dụng cụ giảm từ 30 đến 6 mm sẽ đạt được nhiều vết căng và biến dạng hơn.
- Thông 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 phương pháp gia công trên tấm kim loại , khả năng tạo hình bị giới hạn bởi sự co dãn cục bộ không ổn định tạo thành những “ cổ thắt”. Một khi 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 mầm nứt gãy một cách nhanh chóng.
Bảng 2.1 Bảng vật liệu và đặc tính dùng để thử nghiệm mối liên hệ giữa khả năng biến dạng với tạo hình biến dạng đối xứng.
|
Vật liệu |
K [ MPa] |
n |
Ro |
UTS [MPa] |
A % |
|
Copper |
390 |
0,16 |
0,85 |
300 |
26 |
|
Brass |
1437 |
0,34 |
0,88 |
510 |
8 |
|
DDQ |
545 |
0,27 |
2,01 |
290 |
50 |
|
HSS |
628 |
0,25 |
2,01 |
350 |
40 |
|
AA 1050-O |
255 |
0,18 |
0,6 |
76 |
39 |
|
AA 6114 T4 |
540 |
0,22 |
0,69 |
310 |
24 |
- Những vật liệu đặc trưng và đặc tính vật liệu
Những vật liệu tấm thông thường được sử dụng trong tạo hình cục bộ liên tục không đối xững là nhôm và thép. Nhôm và các hợp kim của nó rất hay dùng chính nhờ vào sự giảm lực biến dạng. Đa số các thí nghiệm trên nhôm (AA1100, AA3003, AA1050) đã được tiến hành để nghiên cứu khả năng biến dạng và đặc tính vật liệu. Do cần phải có lực biến dạng lớn hơn đối với thép nên chiều dày các tấn théo dùng cũng cỡ nhỏ.
Tuy nhiên , thép được được dùng nhiều trong sản xuất có sử dụng phương pháp biến dạng gia tăng vì chúng có một vai trò quan trọng trong tạo hình tấm truyền thống. Do đó , người ta tập trung vào ứng dụng trên thép mềm và thép không gỉ. 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 phàn bên trong ghế ngồi xe hơi bằng tấm thép DC04 dày 0.8mm.
2.2.Cơ sở lý thuyết của công nghệ MSPIF, TPIF
Giới thiệu phương pháp gia công tạo hình SPIF nhiều giai đoạn (MSPIF): Tổng quan nghiên cứu về phương pháp gia công cục bộ liên tục nhiều giai đoạn (Multi-stage Single Incremental Forming – MSPIF ) về căn bản là sự nghiên cứu lại về công đoạn tạo hình, thay vì để quy trình SPIF có tính lặp lại như trước đây, MSPIF chia nguyên công thành các giai đoạn (stage, pass) nhỏ, mà ở đó, các thông số về dụng cụ hoặc đường chạy có thể được can thiệp và thay đổi, với mục đích chính là điều chỉnh sự phân bố của kim loại của sản phẩm để tránh độ mỏng quá mức khi vật liệu đạt góc tạo hình tới hạn.
Tạo hình gia tăng hai điểm (TPIF) là một quá trình tạo hình kim loại dạng tấm với tiềm năng kinh tế cao (gia thành gia công giảm) cho các ứng dụng tạo mẫu nhanh và sản xuất số lượng nhỏ.
Các thành phần cơ bản trong quy trình TPIF được trình bày trong Hình 1.2: tấm kim loại , thanh đỡ, giá đỡ, tấm nền, dưỡng (die) và dụng cụ tạo hình điểm đơn xoay. Giá đỡ được sử dụng để kẹp và giữ tấm ở vị trí trong quá trình TPIF. Tấm nền hỗ trợ tấm, và phần mở của nó xác định vùng làm việc của khuôn định hình một điểm. Công cụ này được sử dụng để định hình trang tính thành một thành phần và đường dẫn của nó được tạo ra bởi một trung tâm gia công điều khiển số máy tính (CNC). Trong suốt quá trình tạo hình, có (die) hỗ trợ bề mặt sau của tấm.
Quá trình sử dụng một dụng cụ đầu trơn tiêu chuẩn, đường kính có thể nhỏ hơn rất nhiều so với chi tiết gia công , được gá trên máy phay CNC 3 trục . Suốt quá trình biến dạng, dụng cụ di chuyển theo một chuỗi các đường cong kín (contour) theo hình dạng cuối cùng của chi tiết và biến dạng mở rộng dần cho đến hình dạng mong muốn.
Hình 2.5 Sơ đồ động TPIF
2.2.1. Trạng thái của ứng suất và biến dạng
Nghiên cứu của Verbert và đồng nghiệp [3] đã đề cập ở trên đã đưa ra minh họa trực quan cho vấn đề này, cụ thể trong nghiên cứu của nhóm tác giả châu Âu này, họ đã cho gia công chiếc đĩa hình nón cụt có độ sâu 30 mm, bán kính đáy và bề mặt lần lượt là 178 mm và 182 mm; bằng hai phương pháp SPIF truyền thống và MSPIF đối với tấm vật liệu Al3003-O dày 1.2mm và thiết lập góc tạo hình mong muốn là 700 (nhỏ hơn góc tạo hình tới hạn được nêu ở bảng trên), kết quả thu được là sự phân bố độ dày trên mặt cắt của sản phẩm với SPIF (gia công trực tiếp ở góc tạo hình 700) và MSPIF (gia công qua 3 giai đoạn 500, 600, 700), sự phân bố cho thấy độ dày tối thiểu của tấm kim loại sau khi gia công bằng MSPIF sẽ lớn hơn đối với gia công bằng SPIF cho ra cùng kết quả, sự phân bố này được biểu thị ở hình 2.5 dưới đây.
Hình 2.6 Biều đồ biểu thị tương quan hình học và phân bố độ dày ứng với bán kính của sản phẩm sau gia công bằng hai phương pháp SPIF và MSPIF [3].
Tổng quan cho thấy MSPIF thực sự giảm thiểu việc đứt gãy sản phẩm vốn sinh ra do độ mỏng của vật liệu không đáp ứng điều kiện tạo hình. Với nghiên cứu MSPIF, việc tìm ra nhân tố ảnh hưởng góc tạo hình là một bước tiến, như trong nghiên cứu của D.Suresh Kumar và N.Ethiraj [4], nhóm nghiên cứu gia công chiếc cốc sử dụng MSPIF trong điều kiện được thiết lập bao gồm 2 giai đoạn: gia công góc tạo hình ban đầu là 500, sau đó gia công liên tục nâng góc tạo hình từ 500 lên 700 trong điều kiện tốc độ chạy dụng cụ 1000 mm/phút và độ sâu gia tăng (incremental depth) là 0.5mm là hằng số; Với biến số thay đổi duy nhất là 3 tốc độ quay dụng cụ 600, 800 và 1000vòng/ph, mục tiêu của thí nghiệm là tìm được độ sâu lớn nhất sản phẩm có thể đạt được trước khi đứt gãy. Kết quả thu được trên tấm inox 304 (AISI304) cụ thể như sau: 18.3mm đối với 600 vòng/ph, 18.7mm đối với 800 vòng/ph, 21.3mm đối với 1000 vòng/ph.
Tuy chưa có một công thức hay một phỏng đoán nào được đưa ra, song nhóm tác giả cho thấy, với tốc độ quay khác nhau, đặc biệt là 1000 vòng/ph, độ sâu đạt được là vượt trội với hai tốc độ còn lại là 600 và 800 vòng/ph, điều này cho thấy có thể tồn tại một vận tốc tối ưu nào đó cho các điều kiện khác nhau trong gia công MSPIF nói riêng.
Một khía cạnh khác ảnh hưởng về nghiên cứu MSPIF là phân tích để đưa ra một chiến lược cho đường chạy dụng cụ (tool-path strategies), theo Joao Luis Martins[5], việc dụng cụ di chuyển theo hướng “từ trên xuống” (downward movement-D) hay “từ dưới lên” (upward movement-U) ứng với mỗi giai đoạn (stage) sẽ gây tác động khác nhau trong việc phân bố độ dày kim loại trong quá trình gia công, nhóm tác giả cho gia công một chiếc cốc với vách đứng (vertical wall – góc tạo hình 900) qua 5 giai đoạn, với giai đoạn đầu là tạo thành một hình nón 450, các giai đoạn sau chia thành hai trường hợp DDDD (down-down-down-down) và DDDU (down-down-down-up). Kết quả nghiên cứu của Skjoedt M và các đồng nghiệp [5] đã chỉ ra việc dụng cụ đi theo chiến lược DU (down up) sẽ cho ra độ dày mỏng hơn ở những độ sâu nhất định khi so sánh với chiến lược DD (down down), như hình 2.2.2. ở dưới.
Hình 2.7 So sánh Phân bố độ dày của sản phẩm giữa hai chiến lược DD và DU [5]
Bên cạnh việc thực nghiệm để tìm ra các thông số ảnh hưởng đến quá trình gia công MSPIF như các nhóm tác giả đã đề cập ở trên, thì việc áp dụng mô phỏng trong nghiên cứu đồng thời đưa ra phương hướng mới trong việc cấu thành sản phẩm thông qua máy tính trong việc tạo đường chạy dụng cụ, có thể nói, bằng việc nghiên cứu ra thuật toán phù hợp cùng sự kết hợp với các kết quả khảo nghiệm, một lối tắt để đi từ lí thuyết MSPIF đến một sản phẩm hoàn chỉnh ứng dụng MSPIF dần được tạo ra mà ở đó các thông số ảnh hưởng ít quan trọng hơn có thể được khỏa lấp bằng các đường chạy đặc biệt trên mô hình số được máy tính đưa ra dựa trên các dữ kiện đã biết. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), vốn là phương thức phổ biến để xử lí những bài toán này, vào khoảng đầu năm 2019, một nhóm tác giả đến từ Ấn Độ và Trung Quốc [6] đã đưa ra một phương thức mới ứng dụng phân tích mô phỏng chuyển động vật rắn (RBM) cùng với các thuật toán sơ bộ. Có thể thấy, việc ứng dụng mô phỏng mở ra một xu thế mới trong việc xử lí các bài toán về MSPIF trong tương lai ít phụ thuộc vào quá trình tạo hình sản phẩm, khiến cho việc nghiên cứu có thể được tiếp cận một cách dễ dàng hơn trước đây. Tuy nhiên, việc nghiên cứu trên một mô hình mô phỏng cần phải chú ý rằng tính đồng bộ hoàn hảo là điều khó có thể có được trong các điều kiện thực tế.
2.2.2. Cơ sở lý thuyết xác định các thông số gia công tạo hình
Cơ sở lý thuyết xác định các thông số gia công tạo hình cũng tương tự như công nghệ SPIF.
Qua thực nghiệm tại xưởng C1 , khi gia công TPIF nảy sinh thêm 1 vấn đề đó là độ đảo của trục chính và độ đảo của dụng cụ tạo hình ( hình 2.7)
Hình 2.8 Độ đảo đầu dụng cụ ảnh hướng đến bề mặt tấm kim loại
Độ đảo có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tạo hình , chất lượng về mặt và độ chính xác của sản phẩm. Cụ thể gọi khoảng cách giữa của đầu dụng cụ chuẩn đồng tâm với trục chính khi quay đều lý tưởng và đầu dụng cụ bị đảo với trục chính khi quay lệch đi một khoảng là t.
Khoảng cách t càng lớn thì khả năng làm mòn bề mặt ngay tại vị trí tiếp xúc của phôi với dụng cụ tạo hình càng lớn . Dẫn đến bề dày thành của tấm kim loại mỏng dần gây ra sự cào xước bề mặt tấm kim loại và đầu dụng cụ => Xảy ra hiện tượng mỏi kim loại tại vị trí ứng suất tập trung lớn dẫn đến rách bề mặt tấm kim loại khi gia công.
2.3. Độ nhám bề mặt
Độ nhám bề mặt chịu ảnh hưởng của các thông số sau :
- Bước xuống dụng cụ Δz (mm);
- Đường kính dụng cụ R (mm);
- Tốc độ quay trục chính n (vg/ph);
- Bước tiến ngang ae (mm/ph).
Trong đó yếu tố bước xuống dụng cụ Δz và bước tiến ngang ae là chủ yếu , quyết định độ nhám bề mặt. Các sản phẩm được gia công bằng phương pháp này , độ nhám bề mặt rất được quan tâm.
Trong một nghiên cứu sâu về ảnh hưởng của bước xuống dụng cụ Δz đối với độ nhám bề mặt cho ta thấy hình ảnh 3D của độ nhám với các kích thước bước khác nhau và biên dạng 2D của nhấp nhô bề mặt với ba kích thước bước cùng biên dạng dụng cụ . Khi bước xuống dụng cụ bằng 1% đường kính dụng cụ (0.13mm), các nhấp nhô gần như biến mất [1].
Một số nghiên cứu ảnh hưởng của bước xuống dụng cụ Δz, góc xuống φ, và đường kính dụng cụ lên độ nhám bề mặt cho thấy nhịp Δz, góc xuống φ, đường kính dụng cụ và độ nhám bề mặt có mối liên hệ tương tác lẫn nhau và neesue phối hợp đúng, độ nhám bề mặt gây ra do bước và góc xuống có thể được giảm thiểu.
Tốc độ trục chính có ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt. Có thể giảm bớt độ nhám bề mặt bằng cách giảm chuyển động tương đối giữa dụng cụ và phôi, đồng thời cũng làm giảm sự tạo thành các vết nứt liên đới do sự lặp lại ứng suất trên cùng một bề mặt.
Hình 2.9 Chiều cao nhấp nhô
Chiều cao nhấp nhô được tính bằng công thức:
h ≈ ae / 8R [1]
Trong đó : + h là chiều cao nhấp nhô (mm)
+ ae là bước tiến ngang (mm)
+ R là bán kính đầu dụng cụ gia công. (mm)
2.4. Độ chính xác kích thước
Trong số các quá trình biến dạng gia tăng thì công nghệ biến dạng cục bộ liên tục MSPIF được đặc trưng bởi sự đơn giản về thiết bị. Điều hạn chế chính của việc đơn giản hóa dụng cụ đó là mức thiếu độ chính xác của các chi tiết thành phẩm sau khi gia công.
Sai lệch hình học :
+ Sai lệch theo phương biến dạng chính theo trục z, nơi tấm kim loại bị bẻ cong khi dụng cụ di chuyển dọc theo các vòng biến dạng.
+ Sai lệch kích thước hình học trên phương biến dạng phụ do đặc tính đàn hồi của tấm .
+ Sai lệch biến dạng đàn hồi ( springback) :Trong suốt quá trình thực hiện biến dạng liên tục , biến dạng xảy ra trên đường di chuyển liên tục ba chiều của dụng cụ tạo hinh ( phương Ox, Oy, Oz) và đường này thường là tiếp tuyến với các mặt CAD thiết kế.
+ Sai lệch do hiện ứng “gối” (pillow-effect) xuất hiện sau khi ta dỡ dụng cụ tạo hình ra khỏi bề mặt chi tiết gia công có thể được quan sát trên vùng biến dạng phụ (Hình 2.4). Ảnh hưởng của hai hiệu ứng khi cắt ngang mô hình côn thẳng. Hiệu ứng springback làm cho đáy hình côn thẳng không thể đạt được độ sâu như mong muốn ( thông số K1), còn hiệu ứng gối thì làm cho đáy hình côn bị vênh với độ sâu ngắn nhất ở tâm của đáy (K2).
Hình 2.10: Hiệu ứng đàn hồi (springback) và hiệu ứng gối ( pillow-effect) cùng các thông số đầu ra K1,K2.
Sai lệch kích thước: Cho đến nay, sai số kích thước của phương pháp này khá lớn :±1.5 mm cho đối xứng và ±2 mm cho những phần không đối xứng được tạo hình cục bộ liên tục.
2.5. Biến dạng đàn hồi không mong muốn và tính toán lượng bù dao hợp lý
Kỹ thuật tạo hình gia công được phát triển với mục đích làm giảm chi phí trong tiến trình tạo hình kim loại tấm . Tuy nhiên vấn đề còn tồn tại ở đây là độ chính xác của sản phẩm. Trong suốt quá trình gia công tạo hình bằng phương pháp này , vật liệu luôn bị biến dạng đàn hồi , do đó hình dạng hình học cuối cùng có thể rất khác biệt so với mô hình CAD mong muốn.
Để hạn chế điều này, ta cần tăng độ chính xác chi tiết khi gia công là dùng đường chạy dao dụng cụ khác so với đường chạy dụng cụ bám theo biên dạng của mô hình CAD ban đầu.
Biến dạng đàn hồi của chày khi đang tạo hình:
Hình 2.10 trình bày chày có đầu hình cầu được gắn trên trục chính máy phay CNC:
Nếu xem đầu trục chính và bàn máy cứng vững tuyệt đối thì biến dạng của chày có thể phân làm 3 vùng:
- Vùng 1: Biến dạng bề mặt chỏm cầu tại vùng tiếp xúc (y1) dài bằng chiều sâu tạo hình t;
- Vùng 2: Một phần mặt cầu (y2) dài D/2-t có tiết diện thay đổi;
- Vùng 3: Phần chuôi trụ đến mặt kẹp rút (y3) dài L.
Hình 2.11 Ba vùng biến dạng của chày
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH SẢN PHẨM DÂN DỤNG BẰNG CÔNG NGHỆ TPIF
3.1 Phân tích quy trình công nghệ TPIF
Để tiến hành xây dưng quy trình công nghê tạo hình sản phẩm dân dụng bằng công nghệ TPIF trước tiên ta phân tích khả năng tạo hình cũng như phân tích quy trình thực hiện.
3.1.1 Phân tích chi tiết gia công
- Bản vẽ chi tiết
- Phân tích chức năng của chi tiết :
+ Phân tích công dụng , mục đích sử dụng , tính kinh tế của chi tiết khi được gia công bằng phương pháp SPIF .
-Phân tích tính công nghệ trong kết cấu
+ Các thông số hình học , các góc biến dạng , các kích thước cơ bản của chi tiết.
- Phân tích độ chính xác gia công :
+ Chi tiết gia công bằng phương pháp SPIF đạt được độ nhám tương đối cao , Thông số này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như : Chế độ gia công( tốc độ quay trục chính, chiều sâu gia công, lượng tiến dao F), đường kính dụng cụ gia công, vật liệu gia công,…
3.1.2. Chọn phôi, phương pháp chế tạo phôi
-Xác định loại vật liệu gia công:
- Phương án chế tạo phôi : Là công nghệ tạo hình kim loại tấm nên ta chọn .
+ Phôi cán : Cán là quá trình làm biến dạng kim loại qua khe hở của trục cán tạo ra sản phẩm bằng lực ma sát, gồm có cán nóng và cán hiệu chuẩn.
a.Ưu điểm:
- Phôi cán nóng : có cấp chính kích thước cao , Ø50 có CCX đường kính 12 , Ø50 - 130 có CCX đường kính 13…
- Phôi cán nguội : Độ bóng, cấp chính xác cao hơn, công suất máy lớn và khuôn chóng mòn (do lực biến dạng lớn ).
- Phôi cán hiệu chuẩn : phôi này có CCX cao hơn ,nếu đường kính phôi đến Ø100 mm thì độ chính xác đạt cấp 7 và độ nhẵn bề mặt đến cấp 8.
- Năng suất chất lượng sản phẩm đồng đều.
b.Nhược điểm:
- Hình dáng của phôi cán đơn giản như : hình tròn , vuông , lục giác , tam giác và dạng tấm…
- Giá thành sản xuất cao
- Đối với chi tiết mẫu khuôn bánh
+ Vật liệu: AA- 1050
+ Dạng sản xuất: Hàng loạt đơn chiếc
+ Hình dáng kết cấu chi tiết: Dạng hình nón cụt, kết cấu hình dạng tương đối đơn giản.
+ Cơ tính: Hợp kim nhôm AA- 1050 được biết đến với khả năng chống ăn mòn tuyệt
vời, độ dẻo cao và kết thúc phản chiếu cao.
+ Có nhiều bề mặt không yêu cầu gia công do đó đỡ tốn nguyên công gia công, các mặt còn lại sử dụng các phương pháp gia công truyền thống như cắt, dập, để đạt được
yêu cầu kỹ thuật mong muốn.
+ Tính công nghệ: Hợp kim nhôm AA- 1050 Hợp kim nhôm 1050 được biết đến với khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, độ dẻo cao và kết thúc phản chiếu cao.
=>Từ những yêu cầu trên ta chọn phương pháp phôi cán.
3.2 Các bước thiết kế, gia công tạo hình sản phẩm bằng công nghệ TPIF
Đối với phương pháp gia công tạo hình bằng công nghệ TPIF , ở đây ta thực hiện các bước thiết kế tính toán , gia công trên phần mềm Creo parametric 7.0.
3.2.1 Các bước thiết kế
Gồm các phần :
- Thiết kế sản phẩm
+ Chọn môi trường vẽ
+ Thiết lập thông số hệ đơn vị mm
+ Tạo môi trường vẽ 2D skecht vẽ biên dạng chi tiết
+ Dựng chiều cao sản phẩm theo yêu cầu
+ Tạo độ dốc của sản phẩm .
+ Tạo các góc bo cung R , đối với phương pháp gia công TPIF hạn chế tối đa góc nhọn cần phải bo góc hoặc vát mép ( vì ảnh hưởng đến độ biến dạng tạo hình của sản phẩm )
+ Chú ý tính toán lượng khoảng trống để bù đắp vật liệu ( vì khi gia công cần lượng dư vật liệu để gia công vật liệu kéo vật liệu dư vào vị trí cần biến dạng )
+ Chi tiết hạn chế có các góc và biên dạng phức tạp vì đầu dụng cụ tạo hình là đầu cầu ( thường sử dụng đầu có đường kính từ D6 đến D16 mm) tùy vào biên dạng chi tiết
- Thiết kế dưỡng( die)
* Đối với dưỡng tùy thuộc vào bề dày của tấm sản phẩm cần gia công mà ta thiết lập biên dạng dưỡng nhỏ lại bấy nhiêu ( bù chiều dày) ví dụ tấm nhôm có chiều dày là 1mm thì ta phải thuyết kế dưỡng biên dạng nhỏ đi 1 mm ( offset) .
+ Chọn môi trường vẽ
+ Thiết lập thông số hệ đơn vị mm
+ Tạo môi trường vẽ 2D skecht vẽ biên dạng dưỡng dựa vào chi tiết
+ Dựng chiều cao sản phẩm theo yêu cầu
+ Tạo độ dốc của sản phẩm .
+ Tạo các góc bo cung R , vát mép.
+ Sau khi hoàn thành công đoạn tạo hình ta cần offset chiều cao mặt đáy sản phẩm thêm 1 khoảng thoát dao vì đầu dụng cụ là hình cầu nên chiều cao bù lấy lớn hơn bán kính R ( thông thường ta lấy chiều cao bù H = 10mm)
* Ngoài cách thiết kế lạo biên dạng dưỡng bẳng cách dựng hình , ta còn có thể sử dụng phần mềm Creo trong môi trường tách khuôn để tạo biên dạng dưỡng đúng với biên dạng của chi tiết và bù trừ bề dày của tấm kim loại sử dụng để gia công sản phẩm .
+ Tạo các góc bo cung R , vát mép.
+ Sau khi hoàn thành công đoạn tạo hình ta cần offset chiều cao mặt đáy sản phẩm thêm 1 khoảng thoát dao vì đầu dụng cụ là hình cầu nên chiều cao bù lấy lớn hơn bán kính R ( thông thường ta lấy chiều cao bù H = 10mm )
- Thiết kế đồ gá: Đồ gá để gia công sản phẩm bằng phương pháp TPIF bao gồm:
+ Phần nâng đỡ , định tấm vật liệu gia công;
+ Phần thân đồ gá;
+ Dưỡng ;
+ Các chốt định vị;
+ Đai ốc , vòng đệm, lục giác chìm…
Các kích thước đồ gá phụ thuộc vào kích thước bao của sản phẩm tạo hình và bù trừ khoảng trống để bù đắp vật liệu và thoát dao.
3.2.2 Các bước gia công
- Xác định máy gia công
Nhìn chung, tất cả máy CNC ba trục đều phù hợp để thực hiện tạo hình cục bộ liên tục không đối xứng. Tốc độ cao, không gian làm việc lớn và đủ độ cứng vững là những lợi thế khi sử dụng máy phay CNC ba trục.
Sau đây là những máy có thể dùng cho quá trình gia công tạo hình cục bộ liên tục không đối xứng, trong hầu hết các trường hợp chúng có thể dùng cho các quá trình gia công khác .Trong đó, máy phay CNC 3 trục được sử dụng rộng rãi nhất.
Danh sách các loại máy có thể thực hiện tạo hình liên tục là :
- Máy phay CNC;
- Máy chuyên dụng : Máy SPIF;
Hình 3.1 Máy SPIF
- Robot,..
Các loại máy phay thích hợp có thể dùng :
- Máy phay dạng cầu;
- Máy phay dạng cổng;
- Máy phay giường;
Hình 3.2 Máy phay giường
- Máy phay console.
Hình 3.3 Máy phay console
Máy tạo hình chuyên dụng cũng có sẵn trên thị trường. Chúng có tốc độ chạy dao
cao, không gian làm việc trung bình và được trang bị tấm giữ điều khiển được.
- Dụng cụ gia công
Dụng cụ được dùng trong tạo hình gia tăng nhìn chung đơn giản, cụ thể là một đầu bán cầu bằng thép cứng gắn trên trục. Cụ thể loại này được mô tả trong hình.
Hình 3.4 Dụng cụ gia công
Vật liệu làm dụng cụ tạo hình càng cứng càng tốt để tránh mòn và biến dạng dụng cụ. Do đó tùy khả năng có thể chế tạo được dụng cụ mà ta chọn vật liệu làm dụng cụ tạo hình phù hợp. Người ta chế tạo đầu của dụng cụ tạo hình bằng hợp kim carbide, hoặc phủ một lớp chống ma sát như TiN, CrN , DLC để có thể đạt độ cứng và chống mài mòn tốt khi biến dạng các vật liệu cứng như thép hoặc inox. Ngoài ra có thể dùng vật liệu thép gió hoặc thép cứng Trong thực nghiệm, dụng cụ có thể được làm bằng thép cứng ví dụ như Vanadis 23, và đã được nhiệt luyện. Vanadis 23 là thép bề mặt được nhiệt luyện hiệu quả cao được dùng làm dụng cụ cắt, là thép hợp kim tốc độ cao Crom-Molypden-Tungsten-Vanadi có những đặc tính sau:
+ Chịu mài mòn tốt;
+ Độ bền cao;
+ Độ cứng giới hạn cao;
+ Có độ dẻo tốt;
+ Không thay đổi kích thước khi nhiệt luyện;
+ Chịu nhiệt tốt.
Thép hợp kim này thích hợp với những dụng cụ cắt như mũi khoan, mũi doa, dao phay,.. Độ cứng đo được khoảng 859,30 + 7,22 HV. Đường kính dụng có thể sử dụng: 6,8,10,12,16,..v.v. Các đầu dụng cụ gia công đạt cấp chính xác 8.
- Tính toán chế độ gia công
Để thiết lập chế độ gia công một cách hợp lý cần phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ Yêu cầu kĩ thuật đặt ra chi tiết đạt độ bóng bề mặt
+ Mối quan hệ giữa yếu tố đầu ra là góc biến dạng αmax của chi tiết từ đó xác định
Các yếu tố đầu vào bước tiến dụng cụ z, đường kính dụng cụ D, vận tốc tiến dụng
cụ Vxy, vận tốc quay trục chính n. Dựa vào phương trình quy hồi [1]/123:
Y = 68,792 + 0,208x1 + 0,958x2 + 1,458x3 + 2,625x4 + 0,042x1x2 - 0,458x1x3 + 1,625x1x4
Với : , , ,
3.3 Tổng hợp quy trình công nghệ tạo hình sản phẩm bằng phương pháp TPIF
3.3.1 Phân tích chi tiết gia công
- Bản vẽ chi tiết;
- Phân tích chức năng của chi tiết : Đối với chi tiết được chọn gia công biến dạng tạo hình theo phương pháp TPIF cần phải có một trong số các chức năng cụ thể như :
+ Tạo mẫu nhanh.
+ Được phục vụ trong sản xuất đơn lẻ, số lượng ít.
-Phân tích tính công nghệ trong kết cấu : Chi tiết không có các góc biến dạng quá phức tạp ( các góc bo quá nhỏ hoặc góc biến dạng lớn )
- Phân tích độ chính xác gia công.
3.3.2. Phân tích , chọn vật liệu phôi
-Xác định loại vật liệu gia công.
- Phương pháp chế tạo phôi.
3.3.3. Thiết kế chi tiết
-Phân tích thiết kế chi tiết.
3.3.4. Thiết kế dưỡng, đồ gá
3.3.4.1 Thiết kế dưỡng:
- Tùy vào mục đích sử dụng mà ta thiết kế dương phù hợp với phương pháp gia công thông thường, dưỡng thường được làm từ thép CT3, từ nhựa PA,…
3.3.4.2 Thiết kế đồ gá:
Đồ gá gia công thường đa dạng, tùy vào kích thước máy, mục đích sử dụng. Cụ thể dưới đây là đồ gá dùng để gia công các sản phẩm trên máy SPIF:
Hình 3.5 Đồ giá gia công các chi tiết trên máy SPIF
Phôi tấm (7) được gá trên tấm đỡ phôi (6) được kẹp chặt bởi tấm kẹp phôi (8) lắp ghép bởi 8 con bu long M10 được phân bố đều trên tấm đỡ phôi nhằm giữ tấm phôi cố định khi gia công.Tấm đỡ dưỡng (3) có tác dụng định vị và lắp chặt dưỡng nếu gia công TPIF, còn khi gia công MSPIF có thể tháo rời. Tấm định vị (2) là tấm thay đổi tấm đỡ dưỡng một cách linh hoạt khi cần thay thế được khoan các lỗ để bắt bulong M10 sẵn và các lỗ định vị đường kính 4mm,vừa để cố định tấm dưỡng cũng là tấm có các cạnh vuông góc có định chính xác cao giúp xác định gốc tọa độ khi gia công CNC. Khi phôi (7) được tiến hành gia công, thanh dẫn hưỡng(5) sẽ trượt tịnh tiến theo phương 0z nhờ các bạc dẫn hưỡng (4) và được lắp chặt với tấm đế (1).
3.3.5 Lập trình gia công dưỡng, chi tiết
- Lập trình gia công dưỡng.
- Lập trình gia công chi tiết.
3.3.6. Gia công chi tiết bằng máy SPIF
Đối với máy SPIF tại xưởng C1 ta tiến hành các bước sau
Để khởi động máy , ta tiến hành các bước sau:
1) Bật PC tổng trong xưởng
Hình 3.6 Bật PC tổng trong xưởng
* Lưu ý : Trong xưởng đã có máy hoạt động thì không cần thực hiện bước này
2) Bật PC máy SPIF
Hình 3.7 Bật PC máy SPIF
3) Tiến hành bật nguồn khởi động máy trong tụ điện của máy SPIF
Hình 3.8 Bật nguồn khởi động máy
4) Tiến hành bật nguồn khởi động máy trên bảng điều khiển
- Ta nhấn và xoay nhẹ nút EMERGENCY theo ngược chiều kim đồng hồ rồi thả ra .
- Bấm vào nút POWER ON trên bảng điều khiển,chờ để màn hình điều khiển máy hiện thị đầy đủ các cụm tọa độ.
Hình 3.9 Bật nguồn khởi động máy trên bảng điều khiển
- Đóng cửa máy gia công (vì đảm bảo độ an toàn cũng như bật công tác cảm biến) , ta tiến hành Home máy nhấn vào nút MACHINE ZERO > Nhấn Z+ > X+ > Y+.
5) Các bước gá dụng cụ: Ta tiến hành thay dao trên trục chính
a) Ta tiến hành khóa trục chính của máy SPIF;
Hình 3.10 Khóa trục chính của máy SPIF
- Dùng tay kéo đầu khóa trục theo hướng ra xa đầu máy , sau khi kéo ra ta xoay đầu khóa trục 1 khoảng theo hướng cùng kim đồng hồ > Buông thả đầu khóa trục.
- Kiểm tra dùng tay xoay đầu dao không xoay được là OK.
b) Tiến hành thay dao :
- Chọn dao có đường kính phù hợp theo yêu cầu trong phần lập trình gia công.
- Tiến hành mở bầu kẹp dao: Dùng khóa vặn mở COLLET mở theo chiều cùng chiều kim đồng hồ > sau đó dùng thanh nhôm trụ tròn gõ nhẹ vào thân dao để tách COLLET đầu kẹp dao> tiến hành thay dao > Siết chặt dao theo chiều ngược lại.
c) Mở khóa trục chính :
Bước này rất quan trọng vì không mở khóa trục chính khi tiến hành gia công sẽ gây hư trục chính .
...
Sự so sánh giữa hai phương pháp này dựa trên cơ sở chi phí sản xuất ước tính. Quan sát đồ thị ta thấy với số lượng chi chi tiết xấp xỉ 430 thì phương pháp biến dạng cục bộ liên tục có lợi thế kinh tế hơn. Còn số lượng từ 430 trở lên chúng ta có thể dùng phương pháp dập. Số lượng chi tiết càng nhiều thì phương pháp dập sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cho doanh nghiệp cao hơn khi giá thành tạo ra một sản phẩm càng thấp.
Sơ đồ so sánh mức độ ưu thế của hai phương pháp biến dạng gia tăng và phương pháp dập đối với sản phẩm từ mức độ đơn giản đến phức tạp.
6.2 Đánh giá hiệu quả sản phẩm gia công bằng phương pháp MSPIF, TPIF
Hình 6.7 Đánh giá mức ưu thế của ISF và Dập qua số lượng và độ phức tạp.
Chi phí tạo hình trong ISF phụ thuộc nhiều vào hình dáng hình học, vật liệu chi tiết , độ bóng bề mặt. Đối với các chi tiết có độ phức tạp vừa phải đã được công nhận thì mô hình có thể dễ dàng sản xuất với ISF, từ sơ đồ 3 đánh giá mức ưu thế của hai phương pháp ISF và Dập thông qua hai giá trị số lượng và độ phức tạp hình học của chi tiết:
Đối với các chi tiết có biên dạng đơn giản thì chúng ta thấy phương pháp ISF không có lợi thế kinh tế hơn phương pháp Dập. Phương pháp gia công biến dạng gia tăng ISF chỉ có lợi thế so với phương pháp Dập khi gia công số lượng chi tiết nhỏ khoảng 200 chi tiết. Còn đối với các chi tiết có biên dạng phức tạp thì phương pháp ISF có lợi thế hơn phương pháp Dập khi có số lượng nhỏ hơn khoảng 450 chi tiết.
Theo những tính toán này và quan sát những biểu đồ trên rõ ràng chúng ta thấy tạo hình biến dạng gia tăng có lợi nhuận nếu số lượng sản phẩm được chế tạo đơn chiếc. Nếu lượng sản phẩm nhiều hơn, phương pháp Dập (Stamping) có lợi nhuận hơn, sản xuất hàng loạt với thời gian nhanh hơn.
KẾT LUẬN
Qua các phần đánh giá trên ta có thể thấy công nghệ gia công kim loại tấm bằng biến dạng cục bộ liên tục mang lại nhiều hiệu quả trong một phạm vi nhất định :
- Có thể tiến hành tạo mẫu nhanh hay sản xuất loạt nhỏ
- Quá trình không cần khuôn.
- Thay đổi kích thước chi tiết nhanh chóng và dễ dàng, tạo khả năng linh hoạt cao.
- Quá trình không gây tiếng ồn.
Đối với sự đa dạng kiểu dáng sản phẩm , cần phải phân tích, thiết lập các thông số trong chế độ gia công để đạt được năng suất cao nhất, cũng như đảm bảo yêu cầu kĩ thuật được đặt ra. Bên cạnh đó công nghệ còn nhiều hạn chế là thời gian tạo hình dài hơn nhiều so với các phương pháp tương đương như dập sau, khả năng tạo các góc biến dạng lớn khoảng 900 còn gặp nhiều khó khăn. Công nghệ còn nhiều tính mới lạ, có nhiều ứng dụng đặc biệt , nhiều điểm hay của nó , là một chủ đề đáng để tìm hiểu và nghiên cứu trong những năm tiếp theo.
