ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

 BỘ MÔN THIẾT KẾ MÁY

Luận Văn Nghiên cứu thiết kế máy thúc chạm tranh đồng tranh nhôm ĐH Bách Khoa

CHƯƠNG 1.    TỔNG QUAN

1.1              Giới thiệu về tranh đồng

1.1.1     Công nghệ tạo tác sản phẩm thủ công mỹ nghệ

Tranh đồng mỹ nghệ là một trong những sản phẩm trang trí thuộc dòng nội thất cao cấp rất được ưa chuộng tại nước ta. Một trong những nơi sản xuất tranh đồng nổi tiếng ở nước ta là làng nghề Đại Bái, Bắc Ninh, chuyên chế tác dòng tranh đồng cao cấp với những họa tiết tinh xảo và sáng tạo, có giá trị nghệ thuật cao.

Xét về mặt kỹ thuật, tranh đồng là một nhánh ứng dụng của công nghệ gia công kim loại tấm. Công nghệ gia công kim loại tấm được hình thành và phát triển rất sớm trong lĩnh vực tạo tác kim loại. Do tính linh hoạt của kim loại tấm, công nghệ gia công kim loại tấm được sử dụng đa dạng, và một trong những sản phẩm thường thấy của công nghệ này là sản phẩm thủ công mỹ nghệ - tranh đồng.

Hình 1‑1. Tranh đồng – sản phẩm của công nghệ gò truyền thống

Để tạo tác ra một sản phẩm mỹ nghệ, cần nhiều bước để hoàn thành, quan trọng nhất là bước gây biến dạng trên tấm kim loại. Trong kỹ thuật truyền thống, họa tiết trên tranh được chạm thủ công bằng các công nghệ truyền thống. Người thợ gò sử dụng búa và các động tác gõ liên tục tạo ra từng nét của sản phẩm. Quy trình này đòi hỏi tay nghề cao của người thợ gò, thời gian gia công lâu từ đó đẩy giá thành sản phẩm lên rất cao.

Thông thường một bức tranh đồng cỡ trung (400 x 600 mm) trên thị trường có giá khoảng 1 – 5 triệu đồng tùy vào độ phức tạp của họa tiết.

Theo xu hướng, ngoài những bức tranh được chạm nổi trên tấm, người dùng ngày càng ưa thích những mâm đồng được chạm thúc tinh xảo. Đối với mâm đồng, chi tiết có phần dày hơn. Do vậy cần người nghệ nhân có tay nghề và bỏ nhiều công sức hơn.

Sau đây là một số mẫu tranh đồng trên thị trường cùng với một số thông số liên quan (thông tin tham khảo từ một số cơ sở chạm tranh đồng ở Tp.HCM):

Tranh chữ hình vuông:

-       Kích thước: vuông, 400 x 400 mm (chưa bao khung), dày 0,5 mm.

-       Chất liệu: Đồng nguyên chất

-       Thời gian hoàn thiện: 10 ngày (thợ lành nghề)

-       Giá thành: 2.500.000 – 3.500.000 VNĐ

Hình 1‑2 Tranh chữ có hình dạng vuông

Mâm tròn:

-       Kích thước: tròn, đường kính 500 mm, dày 1mm

-       Chất liệu: Đồng thau

-       Thời gian hoàn thành: ước tính 10 ngày (thợ lành nghề)

-       Giá thành: 800.000 – 1.200.000 VNĐ

Hình 1‑3 Mâm đồng dày hình tròn có chạm khắc

1.1.2     Quy trình chạm thúc tranh đồng mỹ nghệ

• Vẽ mẫu: Mẫu được tưởng tượng và vẽ bởi người nghệ nhân, hoặc vẽ theo chủ đề được yêu cầu bởi khách hàng. Trước đây chủ yếu là vẽ tay, ngày nay mẫu được vẽ trên máy tính, thậm chí được vẽ 3D để tinh chỉnh trước cho người thợ dễ dàng thực hiện.
• Chuẩn bị khuông (có thể có hoặc không tùy loại họa tiết và số lượng tranh phải làm): được làm bằng thạch cao hoặc composite. Khuôn được khắc thủ công trên tấm thạch cao.
• Chuẩn bị phôi: Phôi được làm bằng đồng thanh, đồng thau hoặc đồng nguyên chất. Một số cơ sở sử dụng nhôm tấm sau đó mạ đồng, vàng hay bạc. Tấm kim loại phải được chọn kỹ lưỡng, dẻo, mỏng để việc chạm trổ dễ dàng.
• Chạm thô: tấm tranh được chạm ra hình dạng cơ bản ban đầu với những đường nét thô. Giai đoạn này tốn hơn nửa thời gian, tuy nhiên chỉ yêu cầu công nhân có tay nghề bình thường. Sản phẩm sau giai đoạn này chưa đạt độ nhám theo yêu cầu.
• Chạm tinh: sản phẩm sau chạm thô được người nghệ nhân gò chạm lại để đạt được những họa tiết tinh tế. Giai đoạn này yêu cầu người nghệ nhân lành nghề và óc thẩm mĩ cao. Do sản xuất nhỏ lẻ nên thường công đoạn chạm thô và chạm tinh do cùng một người nghệ nhân thực hiện.

Hình 1‑4 Quá trình chạm tranh đồng

Do vậy, mỗi bức tranh đồng cỡ trung cần nửa tháng đến hàng tháng để hoàn thiện. Quan trọng hơn công nghệ này cần những người thợ có kinh nghiệm. Điều đó làm giá tranh đồng trở nên rất cao và khó tiếp cận với người dùng phổ thông.

1.1.3     Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là chế tạo một công cụ có thể thay thế phần chạm thô của quá trình chạm thúc tranh đồng, nhằm:

• Giảm thời gian sản xuất một tác phẩm tranh đồng.
• Nâng cao năng suất sản xuất.
• Hạ giá thành, nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm.
• Cho khả năng sao chép nhiều bản tranh đồng từ một bản vẽ.
• Đưa sản phẩm tiếp cận với người dùng phổ thông.
• Đưa ra một quy trình mới, ứng dụng công nghệ gia công hiện đại vào tiểu thủ công nghiệp mỹ nghệ truyền thống.
• Từ một file thiết kế có thể gia công nhiều sản phẩm giống hệt nhau mà không cần thêm công sức.
• Chất lượng sản phẩm ổn định, ít phụ thuộc vào tay nghề của thợ chạm

1.2              CÁC RÀNG BUỘC VÀ GIẢ SỬ

Không một máy công cụ nào có thể thay thế được độ tinh xảo và thẩm mỹ của người nghệ nhân. Do vậy máy chỉ thay thế phần chạm thô, phần chạm tinh sẽ được người thợ tinh chỉnh lại.

Không thể đảm bảo chính xác tuyệt đối giữa mô hình tranh và sản phẩm. Trong phạm vi luận văn sẽ bỏ qua sự ảnh hưởng của hiện tượng biến cứng và hiện tượng biến dạng hồi phục của tấm kim loại.

1.3              CÁC Ý TƯỞNG THIẾT KẾ

Phương án 1: Cánh tay robot

Hình 1‑5 Cánh tay robot

Phương án này sử dụng cánh tay robot để tạo hình cho tấm kim loại, cánh tay robot được lập trình để chuyển động tạo hình thông qua máy tính. Ưu điểm của cánh tay robot là có nhiều bậc tự do từ đó có thể tạo được các biên dạng phức tạp. Nhược điểm là khó điều khiển, chi phí cao.

Phương án 2: Bàn máy CNC 3 trục

Hình 1‑6 Máy CNC 3 trục

Phương án này sử dụng bàn máy CNC 3 trục để tạo hình cho tấm kim loại. Ưu điểm của phương án này là có thể tạo được nhiều hình dạng không quá phức tạp được lập trình và điều khiển thông qua các phần mềm kĩ thuật như CAD, CAM, CNC, chi phí không quá cao. Nhược điểm của là vùng gia công bị giới hạn theo kích thước khung máy.

Phương án 3: Robot song song

Những năm gần đây robot công nghiệp chủ yếu được dùng cho các thao tác lặp đi lặp lại nhiều lần và trong các môi trường nguy hiểm. Tay máy song song là một cấu trúc gồm nhiều chuỗi động kín với một nhóm các trục và cơ cấu tác động cuối mắc song song nhau. Do hình thành từ những chuỗi động kín (close loop mechanism) gồm nhiều chuỗi động nối tiếp (serial kinematics chains) cùng nối với khu chấp hành (plaform) và nền (base) như vậy sẽ làm tăng độ cứng vững của khâu chấp hành cuối trên tay máy. Hơn thế nữa, có thể đặt tất cả các cơ cấu chấp hành lên giá nếu cần, nhằm làm các di chuyển của cơ cấu gọn nhẹ, nhờ đó tận dụng được phần lớn năng lượng trực tiếp từ trục động cơ đồng thời giảm được sai số vị trí của cơ cấu tác động cuối (end – effector). Một số ứng dụng trong sản xuất công nghiệp tiêu biểu có thể kể đến là các robot phẫu thuật, robot gắp đặt (pick and place) và dạng máy phay 5 trục ảo điều khiển theo chương trình số CNC.

Ưu điểm của phương án là tính linh hoạt trong gia công, có thể tương đương với hệ thống CNC 5 trục. Tuy nhiên vẫn còn trong giai đoạn nghiên cứu, và những lợi thế không cần thiết trong quá trình chế tác tranh đồng. Tương tự cánh tay robot, phương án này cần người có chuyên môn kỹ thuật để vận hành máy.

Hình 1‑7 Cơ cấu robot song song

1.4              NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI

Trong đề tài luận văn tốt nghiệp lần này, nhóm em sẽ áp dụng công nghệ ISF vào việc tạo ra sản phẩm mỹ nghệ bằng đồng, nhôm, thay cho công đoạn tạo khuôn và chạm tranh trong công nghệ tạo tác truyền thống.

• Nghiên cứu quá trình thúc chạm thủ công trong chế tác tranh đồng, nhôm
• Nghiên cứu phương án thiết kế và phân cụm hệ thống
• Nghiên cứu phương án điều khiển bằng máy tính
• Tính toán thiết kế kết cấu máy
• Kết luận

Mục đích của đề tài là hướng đến công nghệ tự động hóa cho những sản phẩm thủ công mỹ nghệ, giảm thời gian hoàn thành một bức tranh, giúp nâng cao năng suất và độ đồng đều của sản phẩm, từ đó hạ giá thành sản phẩm.

Mẫu được thiết kế trên phần mềm 3D CAD, hoặc quét từ sản phẩm đã có. File 3D CAD sẽ được xử lý, tách lớp và xuất đường chạy dao theo biên dạng của mẫu dưới dạng G – Code, sau đó đưa vào máy gia công.

Máy gia công được thiết kế chế tạo, sử dụng dụng cụ tạo hình tịnh tiến được gắn lên bàn máy 3 trục. Trục Z của bàn máy mang búa di chuyển tịnh tiến lên xuống. Bàn gá được gia công, dịch chuyển theo 2 trục phẳng XY. Phôi kim loại tấm được đặt lên bàn và trên một lớp đệm như cao su dẻo hoặc đất sét để hạn chế biến dạng không cục bộ.

Hình 1‑8 Lược đồ máy chạm thúc tranh đồng trên bàn máy CNC

Sản phẩm mong đợi của đề tài sẽ là thiết kế máy chạm thúc tranh đồng, nhôm, xuất đường chạy dao và điều khiển máy để tạo hình tấm kim loại mỏng thành một số hình dạng đơn giản như hoa, lá hoặc logo, chữ.

Kích thước sản phẩm tạo hình được giới hạn trong khoản tấm kim loại dài x rộng x dày là dưới 600 x 600 x 0,5 mm, bằng kim loại dẻo như đồng, nhôm và các hợp kim của chúng. Chiều sâu tối đa của mẫu là 20mm, lõm theo một chiều. Mẫu được tạo hình bởi tập hợp nhiều lõm nhỏ hình chỏm cầu trên mỗi lớp. Đường kính mỗi chỏm cầu nằm trong khoản 2 – 10 mm, sâu 0,5mm. Các rãnh nhỏ của sản phẩm sâu không quá 3mm, bề rộng lớn hơn 3mm. Góc lượn sâu tối đa cho mẫu thiết kế là 60^o để đảm bảo mẫu không rách.

Hình 1‑9 Sản phẩm mong đợi của máy

CHƯƠNG 2.    CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1              CƠ SỞ LÝ THUYẾT BIẾN DẠNG DẺO

2.1.1     Lý thuyết biến dạng dẻo

Dưới tác dụng của ngoại lực làm thay đổi thế năng của nguyên tử, các ion trong mạng tinh thể kim loại bị tách ra khỏi vị trí cân bằng. Lực càng lớn, thế năng thay đổi càng tăng. Khi năng lượng vượt qua một giá trị nhất định, hoặc nói cách khác, là biến dạng trong mạng tinh thể đi qua một giới hạn nào đó, sau thi thôi tác dụng lực, các nguyên tử chuyển sang một vị trí mới, ổn định hơn. Tổng sự dịch chuyển của các nguyên tử đến vị trí mới tạo ra sự biến dạng dư, hay thay đổi hình dạng, kích thước của vật thể ban đầu. Hiện tượng đó gọi là biến dạng dẻo.

2.1.2     Cơ chế biến dạng dẻo

a)    Trượt

Khái niệm: Trượt là một quá trình dịch chuyển tương đối giữa hai phần tinh thể. Trượt chỉ xảy ra trên một số mặt và phương tinh thể nhất định. Trên phương và mặt tinh thể này thường có mật độ nguyên tử dày đặt nhất hay trên đó lực liên kết giữa các nguyên tử là lớn nhất, so với mặt và phương khác. Trượt phải khắc phục được lực tương hỗ giữa các mặt tinh thể (Giữa các nguyên tử trên hai mặt nguyên tử). Phương trượt là phương có khoảng cách giữa các nguyên tử là nhỏ nhất. [1]

Trượt xảy ra dưới tác dụng của ứng suất tiếp, sao cho dãy nguyên tử đó vẫn giữ được mối liên kết để biến dạng dẻo không dẫn đến phá hủy.

Người ta đánh giá khả năng biến dạng dẻo của vật liệu thông qua hệ số trượt. Các vật liệu có dạng lập phương thể tâm và lập phương diện tâm có cùng hệ số trượt nhưng mật độ mạng của lập phương thể tâm ít hơn nên kém dẻo hơn (Fe) so với mạng lập phương diện tâm (Fe,Cu,Ni,Al,Au,Al,..)[2].

Trượt chỉ xảy ra khi giá trị của ứng suất tiếp lớn hơn giá trị tới hạn  [2]

Hình 2‑1. Cơ chế trượt

Trong mạng tinh thể thực tế, do sự tồn tại của các lệch mạng, biến dạng dẻo được thực hiện nhờ chuyển động của lệch mạng [2].

b)    Song tinh (đối tinh)

Theo tài liệu [2] Biến dạng còn có thể thực hiện được nhờ song tinh. Đó là sự xê dịch một phần mạng tinh thể qua một mặt phẳng cố định (mặt phẳng song tinh), sao cho các nguyên tử ở vào vị trí đối xứng gương qua mặt phẳng song tinh đó.

Đặc điểm của song tinh:

• Mức độ biến dạng dẻo do song tinh thường nhỏ hơn nhiều so với trượt.
• Song tinh cũng xảy ra trên các mặt và phương tinh thể xác định giống như trượt khi tốc độ biến dạng lớn và đột ngột. Nó xảy ra khi quá trình trượt bị hạn chế Song tinh xảy ra lúc đầu vsới ứng suất rất lớn, nhưng sau đó có thể phát triển với ứng suất bé.
• Khi song tinh xảy ra, nó làm dễ dàng cho quá trình trượt, do đó làm thay đổi phương mạng của những mặt trượt có định hướng bất lợi trước đó. Nếu trượt và song tinh cùng xảy ra thì khả năng biến dạng dẻo của vật liệu sẽ tăng lên.

2.1.3     Các định đề trong biến dạng dẻo

Định luật bảo toàn thể tích

Trong quá trình biến dạng dẻo nguội, do không có sự bù đắp hay tách vật liệu, và do nhiệt độ thay đổi không quá lớn, nên khi biến dạng dẻo, vật liệu chỉ biến đổi hình dạng nhưng luôn bảo toàn thể tích trong suốt quá trình biến dạng.

Nguyên tắc trở lực biến dạng nhỏ nhất

Nếu các chất điểm của vật thể biến dạng có thể dịch chuyển theo những phương khác nhau thì bao giờ chúng cũng dịch chuyển theo phương nào có trở lực nhỏ nhất.

Điều kiện để xảy ra hiện tượng biến dạng dẻo

a)    Điều kiện Treska – Saint – Vnant hay điều kiện ứng suất tiếp lớn nhất

“Trạng thái dẻo bắt đầu và được duy trì nếu một tổng 2 ứng suất pháp chính bằng giới hạn chảy và không phụ thuộc vào giá trị của ứng suất pháp kia.”

Trong điều kiện trạng thái ứng suất phức tạp, tenxo ứng suất pháp

Ứng suất tiếp lớn nhất theo các hướng có giá trị:

Nếu một trong ba giá trị ứng suất lớn nhất lớn hơn giới hạn chảy τ_ch của vật liệu thì vật liệu sẽ chuyển từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái chảy dẻo, nói cách khác vật liệu sẽ chịu biến dạng dẻo.

Gọi

Vật liệu được kết luận là ở trạng thái chảy dẻo khi  , trong đó σ₀ là ứng suất chảy trong thí nghiệm kéo nén đơn trục của vật liệu.

b)    Điều kiện Von Misses hay điều kiện năng lượng không đổi

“Bất kì phân tử kim loại nào đều có thể chuyển từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái dẻo khi cường độ ứng suất đạt đến 1 giá trị bằng giới hạn chảy σ_s, trong trạng thái ứng suất kéo đơn, tương ứng với điều kiện nhiệt độ - tốc độ biến dạng và mức độ biến dạng”, có nghĩa là khi chuyển sang trạng thái dẻo, cường độ ứng suất bằng giới hạng chảy.

2.1.4     Sự biến đổi độ dày tấm sau gia công

Theo định luật bảo toàn thể tích, sau khi tạo hình do vật liệu bị biến dạng dẻo nên chiều dày vật liệu bị thay đổi. Ta có thể xác định bề dày vật liệu  sau khi gia công theo cách sau:

Với:

V₁, V₂:thể tích của hình dạng phần vật liệu được gia công

S_1, S₂: Diện tích bề mặt vật liệu trước và sau gia công

,: Bề dày vật liệu trước và sau khi gia công.

Ví dụ: Ta gia công theo chu vi của một đường tròn có diện tích S₁. Sau khi gia công ta có diện tích mặt chỏm cầu là S₂ = , S₁ =

Khi mẫu có bề mặt phức tạp hơn, ta chia mẫu nhỏ thành từng phân tố đơn giản. Diện tích của mẫu bằng tổng diện tích các phần tử được chia.

Hình 2‑2. Sự thay đổi bề dày sau khi gia công

Cần lưu ý, bề dày  được nhắc tới là bề dày trung bình, do sau khi gia công bề dày sẽ không đồng đều trên toàn bộ sản phẩm. Tùy theo hình dạng sau khi gia công mà chiều dày vật liệu sẽ thay đổi ở các vùng gia công khác nhau.

Ví dụ hình nón cụt sau khi tạo hình.

Hình 2‑3. Ví dụ về đường trung bình và độ dày trung bình

Do đó, ta sẽ xác định chiều dày vật liệu sau khi tạo hình bằng cách xác định chiều dày trung bình của hình dạng đó. Khi đó bề dày sau khi gia công lúc này là

Cách tính này cũng có thể áp dụng đối với các bề mặt sản phẩm phức tạp, bằng cách chia nhỏ bề mặt ra thành các bề mặt giản đơn.

2.1.5     Khả năng biến dạng của vật liệu

Từ bề dày đã được xác định ở trên, ta có thể xác định được mẫu thiết kế có thể gia công hay không. Mỗi vật liệu có một khả năng thay đổi độ dày riêng, và lượng biến dạng của mẫu thiết kế không được vượt quá trị số đó

Khả năng thay đổi độ dày của vật liệu được đặc trưng bởi độ co lún của vật khi bị biến dạng:

Quan hệ giữa lượng ép tương đối và hệ số kéo dài. [3]

 : Lượng ép tương đối

 : Hệ số kéo dài với  > 1

Lượng ép của kim loại là có giới hạn, nếu kim loại biến dạng qua ngưỡng đó sẽ xé rách vật liệu. Mỗi kim loại hay hợp kim có một lượng ép tối đa khác nhau, tùy thuộc vào thành phần và tương đương với lượng ép tối đa trong quá trình cán, cụ thể:

2.1.5.1    Nhôm tấm và hợp kim nhôm tấm

Các sản phẩm nhôm tấm dùng trong đời sống hằng ngày thường có chiều dày từ 0,1 ÷ 5mm

Cán tấm hợp kim nhôm, sau khi cán nóng xong được đưa vào cán ở trạng thái nguội. Lượng ép tổng cộng   khi cán nguội từ 6070% .Các tấm được cán trên máy cán hai trục hoặc bốn trục đảo chiều có tốc độ cán lớn nhất từ 710 m/s. Phải ủ trung gian nếu lượng ép tổng đã quá giới hạn quy định, nhiệt độ ủ từ 400450 ^oC.

Bảng 1. Thành phần hóa học và kí hiệu của nhôm nguyên chất (theo ΓOCT 11069-74 Liên Xô cũ).

Bảng 2. Chế độ và công nghệ sản xuất nhôm tấm 0,5 x 480 mm từ phôi tấm 5 x 1020 mm

Bảng 3 Quy chuẩn nhôm tấm thương mại tại Việt Nam

 2.1.5.2    Đồng và hợp kim đồng

Đồng: là kim loại có một dạng thù hình, có mạng lập phương tâm mặt với thông số mạng a = 3,6A⁰ có các tính chất như sau:

–    Khối lượng riêng lớn (g = 8,94g/cm³) lớn gấp 3 lần nhôm.

–    Tính chống ăn mòn tốt.

–    Nhiệt độ nóng chảy tương đối cao (1083⁰C)

–    Độ bền không cao (σ_b = 16Kg/mm², HB = 40) nhưng tăng mạnh khi biến dạng nguội (σ_b = 45Kg/mm², HB = 125).

–    Tính công nghệ tốt, dễ dát mỏng, kéo sợi tuy nhiên tính gia công cắt kém.

–    Theo TCVN đồng được ký hiệu bằng chữ Cu và theo sau nó là số chỉ hàm lượng %Cu (Cu99,99; Cu99,97; Cu99,95; Cu99,90)

Hợp kim của đồng:

Có nhiều cách phân loại hợp kim của đồng nhưng phổ biến nhất là phân loại theo thành phần hóa học. Theo phương pháp này người ta chia hợp kim của đồng ra làm hai loại:

• Đồng thau (còn gọi là đồng vàng): là hợp kim của đồng mà hai nguyên tố chủ yếu là đồng và kẽm. Ngoài ra còn có các nguyên tố khác như Pb, Ni, Sn…
• Đồng thanh: Là hợp kim của đồng với các nguyên tố khác ngoại trừ Zn. Đồng thanh được ký hiệu bằng chữ B, tên gọi của brông được phân biệt theo nguyên tố hợp kim chính. Người ta phân biệt các loại đồng thanh khác nhau tùy thuộc vào nguyên tố hợp kim chủ yếu đưa vào: ví dụ như Cu-Sn gọi là đồng thanh thiếc; Cu – Al gọi là đồng thanh nhôm.

Khi bị biến dạng ở trạng thái nguội thì giới hạn bền và giới hạn chảy tăng lên, độ giãn dài tương đối giảm. Do đó độ cứng cũng tăng lên và bề mặt kim loại bị biến cứng mạnh. Sau khi ép được 80% () nên ủ rồi mới tiếp tục gia công.

Hợp kim đồng ở dạng tấm được sử dụng rộng rãi đặc biệt là đồng thau Л62, Л63, Л68, Л70 và Л90. Việc cán nguội các hợp kim đồng cũng tiến hành giống như cán đồng.

  Bảng 4. Các kích thước cơ bản cán đồng tấm và hợp kim đồng tấm

Bảng 5. Chế độ ép khi cán nguội đồng thau tấm (Л62, Л63, Л68)

 2.1.6     Ứng suất sinh ra khi gia công

Biến dạng trong từng phần tử có thể tính bằng tích phân chuyển vị của từng phần tử đó:

Nếu trong biến dạng đàn hồi, ứng suất và biến dạng trong phần tử vật liệu đẳng hướng tuân theo định lực Hooke, được biểu diễn như sau:

Với:

ε: Thành phần biến dạng theo các phương

υ: Hệ số Poisson

G: Modun đàn hồi trượt

σ: Ứng suất theo các phương

Trong biến dạng dẻo, mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng cũng có thể biểu diễn tương tự như trong biến dạng đàn hồi:

Trong đó D là modun đàn hồi dẻo và thay đổi liên tục phụ thuộc vào tốc độ biến dạng.

Có thể tính gần đùng ứng suất sinh ra trong vật liệu bằng áp lực gia công

Với:

F: lực tác động lên bề mặt kim loại

r: bán kính đầu búa

h: chiều sâu mỗi bước xuống búa

2.1.7     Ứng suất giới hạn của vật liệu

a)    Cơ chế phá hủy

Khi biến dạng tới mức độ nào đó, liên kết giữa các mặt phẳng nguyên tử bị phá vỡ, vật liệu bị tách ra thành hai hay nhiều phần đó là sự phá hủy. Phá hủy thường xảy ra ở nơi tập trung ứng suất và bao giờ cũng gắn liền với quá trình hình thành và phát triển của vết nứt.

Khi ứng suất pháp tuyến đạt đến một giá trị xác định thì hai mặt phẳng nguyên tử bị tách rời nhau, gây phá hủy. Người ta gọi đó là giới hạn tách đứt . Nếu ứng suất tác động từ bên ngoài có trị số nhỏ hơn , nhưng lớn hơn giới hạn chảy , thì vật liệu sẽ bị biến dạng dẻo mạnh trước khi phá hủy, ta có phá hủy dẻo. Ngược lại, nếu tải trọng lớn hơn , vật liệu sẽ bị phá hủy mà không cần biến dạng, ta có phá hủy giòn. Như vậy, phá hủy dẻo hay giòn phụ thuộc vào tương quan giữa giới hạn chảy và tách đứt.  Ta xét một số yếu tố ảnh hưởng chính đến tương quan đó.

• Nhiệt độ: khi tăng nhiệt độ, giới hạn chảy giảm, trong khi giới hạn tách đứt không đổi ở nhiệt độ cao hơn điểm S, ta có  < , vật liệu sẽ bị phá hủy dẻo. Nếu nhiệt độ thấp hơn điểm S,  >  vật liệu bị phá hủy giòn. Điểm S là ngưỡng nhiệt độ hóa giòn.

Hình 2‑4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến giới hạn phá hủy của vật liệu

• Tốc độ biến dạng: Tốc độ biến dạng càng cao, sự trượt càng khó xảy ra, tương ứng với giới hạn chảy tăng lên. Trong khi giới hạn tách đứt hầu như không phụ thuộc vào tốc độ biến dạng. Khi tốc độ biến dạng lớn, phá hủy có đặc tính giòn và ngược lại.

Hình 2‑5. Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến giới hạn bền của vật liệu

b)    Giới hạn gia công

Bằng sự hỗ trợ của phương pháp phần tử hữu hạn và các công cụ hỗ trợ tính toán, ta có thể tính được ứng suất lớn nhất sau mỗi lần đập búa. Dựa vào đó, có thể xác định được giới hạn gia công (khoảng cách lớn nhất mỗi lần hạ búa) bằng cách so sánh với giới hạn bền của kim loại.

Mỗi kim loại có một giới hạn chảy và giới hạn bền khác nhau, cụ thể:

Bảng 2‑6. Thành phần và cơ tính của nhôm và hợp kim nhôm

Bảng 2‑7. Thành phần và cơ tính của đồng và hợp kim đồng

2.2              CÁC CÔNG NGHỆ LIÊN QUAN

2.2.1     Công nghệ dập

Dập nguội là một công nghệ mới so với lịch sử phát triển của công nghiệp thế giới. Công nghệ dập nguội là bước phát triển của công nghệ gò. Đó là quá trình gia công kim loại bằng áp lực, biến kim loại tấm hay khối thành sản phẩm có hình dạng mong muốn.

Nguyên lý của công nghệ dập nguội là dùng áp lực dập kim loại tấm vào khuôn có hình dáng định trước. Sau quá trình biến dạng dẻo, tấm kim loại sẽ mang hình dạng của khuôn dập. Trong chế tác tranh mỹ nghệ, khuôn thường được làm bằng thạch cao nung sau khi đục thành hình dạng mong muốn. Nếu không có khuôn, kim loại sẽ biến dạng do lực tác dụng bởi tấm đầu đục và bàn đỡ.

Hình 2‑4 Sơ đồ dập

Lực dập được tính bằng phản lực biến dạng. Phản lực biến dạng là lực mà tấm kim loại tác dụng lên dụng cụ tạo hình trong quá trình biến dạng dẻo, nói cách khác là lực cần thiết để gây ra biến dạng dẻo cho kim loại.

2.2.2     Phương pháp tạo hình tấm biến dạng cục bộ liên tục

Khái niệm

Đây là một phương pháp tạo mẫu cho kim loại tấm bằng những sự gia tăng lần lược các biến dạng nhỏ, cục bộ trên tấm kim loại. Những biến dạng này được gây ra bởi sự di chuyển của đầu công cụ, thường thấy là chuyển động xoay tròn miết lên tấm kim loại hoặc chuyển động lên xuống dập lên tấm kim loại.

Việc nghiên cứu về ISF tăng mạnh trong 10 năm trở lại đây, cụ thể từ năm 2010 số bài báo nghiên cứu về công nghệ này tăng mạnh, do các lợi thế của công nghệ này bắt kịp với xu thế thiết kế ngược:

• Giảm thời gian tạo mẫu sản phẩm
• Giảm giá thành tạo mẫu do tiêu tốn ít năng lượng, vật liệu và không cần một loại khuôn đặc biệt.
• Có khả năng tạo ra các mặt cong chính xác, giúp việc kiểm tra ứng xử khí động học của bề mặt trở nên dễ dàng.
• Tương thích với quy trình thiết kế ngược, tạo mẫu và kiểm tra với thời gian ngắn.

Về phương pháp tạo hình bằng đầu búa, là sự kết hợp các đặc tính của các công nghệ dập, miết, và ISF. Máy sử dụng một đầu tạo hình tịnh tiến lên xuống (tạm gọi là búa) với tần số cao và biên độ nhỏ. Mẫu thiết kế (thường là các mặt cong), sau khi thiết kế sẽ được cắt lớp tạo thành những đường cong. Khi đầu búa và tấm kim loại va chạm sẽ để lại biến dạng nhỏ trên tấm kim loại, quỹ tích các điểm biến dạng này tạo ra những mặt cong được thiết kế trước. Búa được gắn vào bàn máy và di chuyển theo mã G & M code được xuất từ chương trình CAD/CAM thương mại.

Mô tả quá trình ISF

Máy gồm 3 thành phần chính:

• Bộ phận quan trọng nhất là công cụ gia công – dao. Dao có khả năng di chuyển lên xuống tịnh tiến với biên độ nhỏ và tần số cao nhờ gắn với hệ thống Búa, thường được vận hành bằng hệ động lực riêng, có thể là thủy lực, khí nén, động cơ servo hoặc cơ cấu cam. Đầu dao gia công có hình dáng thon dài, đầu dao có nhiều hình dạng tùy theo bề mặt cần gia công – thường là hình chỏm cầu.
• Để mang chuyển động của dao, người ta sử dụng bàn máy CNC hoặc cánh tay robot. Bàn máy CNC cho khả năng điều khiển đơn giản, dễ dàng, ổn định. Trong khi cánh tay robot có khả năng cho ra những di chuyển đầu dao linh hoạt theo nhiều phương.

Hình 2‑5 ISF bằng cánh tay robot

Hình 2‑6 Tạo hình bằng bàn máy CNC

• Bàn gá cố định phôi kim loại tấm. Bộ phận này tùy thuộc vào cách bố trí máy.

Khi hoạt động, búa gõ với tần số cao, biên độ nhỏ. Bàn máy đưa dao chạm vào phôi tạo ra những vết lõm chuyển động nhỏ. Tuần tự, dao di chuyển vòng quanh, từng lớp theo mẫu theo mã G – code được tạo ra trước. Mỗi vòng di chuyển sẽ tạo thành một lớp cắt. Quỹ tích các điểm chạm sẽ tạo ra mặt cong như thiết kế.

Ưu, nhược điểm của ISF

Phương pháp có các ưu điểm sau:

• Công cụ gia công nhỏ, đặc, dễ chế tạo
• Không cần khuôn đặc biệt
• Có thể gia công nhũng bề mặt phức tạp, không đối xứng
• Khả năng tích hợp với cánh tay robot
• Năng lượng sử dụng nhỏ
• Có thể sử dụng gia công mẫu phức tạp trên vật liệu nhựa có nhiệt độ chảy thấp.

Do vậy nếu áp dụng được công nghệ ISF vào gia công tranh thủ công mỹ nghệ sẽ giảm được khá nhiều thời gian chế tác, nâng cao độ đồng đều của sản phẩm

Nhưng vẫn còn nhược điểm chưa giải quyết:

• Độ nhám bề mặt khó đảm bảo.
• Các đường nét không thực sự tỉ mỉ và “có hồn” được như của người thợ làm ra.

CHƯƠNG 3.    PHÂN CỤM CHỨC NĂNG

3.1              PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG

Hình 3‑1 Phân tích chức năng cho máy chạm tranh

Dựa vào sơ đồ chức năng đã được phân tích nêu trên, mỗi cụm chức năng bao gồm các chức năng con riêng biệt đều phải được đảm bảo thực hiện, nếu thiếu một trong các chức năng thì máy không thể hoạt động hay đảm bảo thực hiện được chức năng chính của máy là chạm thúc được tấm tranh đồng, nhôm.

Yêu cầu kĩ thuật của máy là phải tạo được biên dạng và dáng theo mẫu tranh vẽ sẵn bằng phương pháp tạo hình liên tục. Để làm được điều đó, máy phải điều khiển được đường gia công của dụng cụ theo biên dạng đã được lập trình sẵn thông qua các phần mềm kĩ thuật CAD, CAM. Động cơ servo được chọn do có Mô men lớn, đã được chuẩn hóa và có thể thích hợp hộp giảm tốc với nhiều cấp truyền khác nhau. Hệ thống được truyền động bằng bộ truyền vít – đai ốc bi do độ chính xác, làm việc êm và không ồn trong lúc hoạt động. Hệ thống dẫn động ray trượt bi được chọn do hiệu suất cao, hệ số ma sát thấp. Các tính chọn những đơn vị truyền động này cũng được chuẩn hóa và cũng dễ mua trên thị trường.

3.2          PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG, CẤU TRÚC

Hình 3‑2Sơ đồ liên hệ chức năng với cấu trúc

Theo sơ đồ chức năng cấu trúc, ta có thể phân hệ thống thành 3 cụm để thiết kế:

• Cụm dụng cụ tạo hình: gồm đầu dụng cụ và búa tạo chuyển động tạo hình
• Cụm bàn máy: gồm động cơ di chuyển bàn máy, bộ truyền động bàn máy và hệ thống khung máy, có chức năng cố định, điều khiển đầu tạo hình đi theo biên dạng.
• Cụm gá phôi: gồm bàn gá phôi được cố định trên bàn máy, có vai trò cố định phôi trong lúc gia công.
• Hệ thống điều khiển và hệ thống điện: nhận, đọc, chuyển và cung cấp tín hiệu điện điều khiển hệ thống.

3.3              DỤNG CỤ TẠO HÌNH

3.3.1     Hình dạng dụng cụ tạo hình

Có nhiều hình loại dụng cụ tạo hình. Tuy nhiên dụng cụ đầu chỏm cầu được chọn trong đề tài do:

• Độ nhám bề mặt khá tốt
• Cho phân bố ứng suất đều trên tất cả các góc chạm
• Dễ chế tạo
• Linh hoạt với những góc chạm phôi khác nhau
• Dễ dàng tính toán để offset tâm của đầu búa trong quá trình gia công, do khoảng cách từ tâm của đầu búa tới mọi điểm chạm là như nhau.

3.3.2     Kích thước dụng cụ tạo hình

Nhiều nghiên cứu đã cho thấy: Đường kính dụng cụ tạo hình có ảnh hưởng lớn đến khả năng tạo hình và chất lượng bề mặt của sản phẩm. cụ thể:

Nếu đường kính dụng cụ nhỏ -> tăng độ chính xác biên dạng và nhám bề mặt.

Hình 3‑3 Độ nhám khi đường kính nhỏ

Nếu đường kính dụng cụ lớn -> tốc độ gia công được nâng cao.

.........

KẾT LUẬN

1.1 Nhận xÉt

• Luận văn đã hoàn thành được các nhiệm vụ:
• Tìm hiểu quy trình thúc chạm tranh đồng, nhôm
• Lựa chọn phương án thiết kế
• Tính toán xác định được các thông số như lực tạo hình, tốc độ dịch chuyển dụng cụ mà không làm phá hủy phôi tấm.
• Thiết kế nguyên lý máy và lựa chọn phương án cho cụm tạo hình
• Thiết kế kết cấu máy và tính chọn các bộ phận truyền động
• Tìm hiểu, lựa chọn mạch điều khiển, chương trình điều khiển. Ứng dụng phần mềm và mạch điều khiển Mach3 vào quy trình thúc chạm tranh đồng.
• Thiết kế mẫu và xuất G-code bằng phần mềm CREO PARAMETIC.
• Tuy nhiên vẫn còn một vài hạn chế như:
• Cơ cấu khung máy chưa thật tối ưu. Do đó kích thước tấm tranh bị hạn chế
• Tủ điện và mạch điện vẫn chưa hoàn chỉnh, do thiếu kinh nghiệm thực tế.
• Chưa có phần mềm chuyên dụng để thiết kế biên dạng tranh nên việc thiết kế biên dạng tranh thực tế trên phần mềm CREO có giới hạn.

1.2 Hướng phát triển

Do đã dự trù kích thước và công suất lúc thiết kế, có thể mở rộng ứng dụng của máy vào các kim loại có cơ tính cao hơn, kích thước lên đến 600x600 mm, vào các ứng dụng khác như chữ quảng cáo hay mục đích khác.

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1.  TỔNG QUAN.. 1

1.1       Giới thiệu về tranh đồng. 1

1.1.1    Công nghệ tạo tác sản phẩm thủ công mỹ nghệ. 1

1.1.2    Quy trình chạm thúc tranh đồng mỹ nghệ. 3

1.1.3    Mục tiêu của đề tài4

1.2       Các ràng buộc và giả sử. 5

1.3       Các ý tưởng thiết kế. 5

1.4       Nhiệm vụ đề tài7

CHƯƠNG 2.  CƠ SỞ LÝ THUYẾT. 10

2.1       Cơ sở lý thuyết biến dạng dẻo. 10

2.1.1    Lý thuyết biến dạng dẻo. 10

2.1.2    Cơ chế biến dạng dẻo. 10

2.1.3    Các định đề trong biến dạng dẻo. 12

2.1.4    Sự biến đổi độ dày tấm sau gia công. 13

2.1.5    Khả năng biến dạng của vật liệu. 15

2.1.6    Ứng suất sinh ra khi gia công. 20

2.1.7    Ứng suất giới hạn của vật liệu. 21

2.2       Các công nghệ liên quan. 26

2.2.1    Công nghệ dập. 26

2.2.2    Phương pháp tạo hình tấm biến dạng cục bộ liên tục  26

CHƯƠNG 3.  PHÂN CỤM CHỨC NĂNG.. 30

3.1       Phân tích cụm chức năng. 30

3.2       Phân tích chức năng cấu trúc. 31

3.3       Dụng cụ tạo hình. 32

3.3.1    Hình dạng dụng cụ tạo hình. 32

3.3.2    Kích thước dụng cụ tạo hình. 32

3.4       Phương án thiết kế búa. 35

3.5       Chọn phương án và vẽ sơ đồ động. 40

CHƯƠNG 4.  TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CHO MÁY.. 42

4.1       Tính toán lực cản kỹ thuật42

4.2       Tính toán động học cho bàn máy. 44

4.3       Tính toán động lực học cho búa. 47

CHƯƠNG 5.  TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ49

5.1       Tính toán thiết kế bộ truyền vít – đai ốc bi49

5.1.1    Vít – đai ốc bi trục X, Y.. 49

5.1.2    Vít – đai ốc bi trục Z. 51

5.2       Ray trượt dẫn hướng. 52

5.2.1    Trục X, Y.. 52

5.2.2    Trục Z. 55

5.3       Chọn động cơ. 56

5.3.1    Động cơ trục X, Y.. 56

5.3.2    Động cơ trục Z. 57

5.3.3    Động cơ trục chính. 58

5.1       Khớp nối58

5.1.1    Trục X, Y.. 58

5.1.2    Trục Z. 58

5.1.3    Trục chính. 59

5.2       Tính toán trục cho trục chính. 59

5.3       Chọn ổ lăn cho trục chính. 61

CHƯƠNG 6.  CHƯƠNG TRÌNH VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN   64

6.1       Giao thức CAD/CAM.. 64

6.2       Lập mô hình CAD và xuất chương trình gia công biến dạng cục bộ liên tục với CREO PARAMETRIC. 64

6.2.1    Chuẩn bị mô hình. 64

6.2.2    Tạo chiến lược chạy dao. 66

6.3       Chọn mạch điều khiển CNC. 70

6.3.1    Mạch đệm CNC MACH3. 71

6.3.2    Phần mềm Mach3 Mill71

6.4       Chọn Driver động cơ Servo. 76

6.4.1    Động cơ trục X, Y,Z. 77

6.5       Chọn Driver động cơ trục chính. 77

CHƯƠNG 7.  KẾT QUẢ.. 79

7.1       Cấu tạo máy. 79

7.2       Phân tích biến dạng của vật liệu sau một lần chạm búa  80

7.3       Phân tích bền của chân đế máy. 81

7.4       Phân tích bền của khung đỡ cụm trục Z. 84

KẾT LUẬN    86

8.1       Nhận xét86

8.2       Hướng phát triển. 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 87

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1‑1. Tranh đồng – sản phẩm của công nghệ gò truyền thống. 1

Hình 1‑2 Tranh chữ có hình dạng vuông. 2

Hình 1‑3 Mâm đồng dày hình tròn có chạm khắc. 3

Hình 1‑4 Quá trình chạm tranh đồng. 4

Hình 1‑5 Cánh tay robot5

Hình 1‑6 Máy CNC 3 trục. 6

Hình 1‑7 Cơ cấu robot song song. 7

Hình 1‑8 Lược đồ máy chạm thúc tranh đồng trên bàn máy CNC. 8

Hình 1‑9 Sản phẩm mong đợi của máy. 9

Hình 2‑1. Cơ chế trượt11

Hình 2‑2. Sự thay đổi bề dày sau khi gia công. 14

Hình 2‑3. Ví dụ về đường trung bình và độ dày trung bình. 14

Hình 2‑4 Sơ đồ dập. 26

Hình 2‑5 ISF bằng cánh tay robot28

Hình 2‑6 Tạo hình bằng bàn máy CNC. 28

Hình 3‑1 Phân tích chức năng cho máy chạm tranh. 30

Hình 3‑2 Sơ đồ liên hệ chức năng với cấu trúc. 31

Hình 3‑3 Độ nhám khi đường kính nhỏ. 33

Hình 3‑4 Độ nhám khi đường kính lớn. 33

Hình 3‑5 Sản phẩm là tổ hợp các chỏm cầu. 34

Hình 3‑6. Hình ảnh mô hình phương án 1. 35

Hình 3‑7 Sơ đồ nguyên lý phương án 1. 36

Hình 3‑8. Hình ảnh mô hình phương án 2. 37

Hình 3‑9 Sơ đồ nguyên lí phương án 2. 37

Hình 3‑10 Sơ đồ nguyên lí phương án 3. 38

Hình 3‑11 Sơ đồ nguyên lí cho phương án 4. 39

Hình 3‑12 Sơ đồ nguyên lý phương án 5. 40

Hình 3‑13 Sơ đồ động của hệ thống chạm tranh đồng. 41

Hình 4‑1 Độ nhấp nhô bề mặt khi dụng cụ di chuyển. 44

Hình 4‑2 Hai lần búa kề nhau. 46

Hình 4‑3 Phân tích lực khi hai mặt cam tiếp xúc nhau. 48

Hình 4‑4 Phân tích lực cơ cấu. 48

Hình 5‑1 Các thông số vít – đai ốc bi của Hiwin. 50

Hình 5‑2 Các thông số của vít-đai ốc bi của Hiwin. 51

Hình 5‑3 Sơ đồ lực tác dụng lên con trượt53

Hình 5‑4 Thông số con trượt trục X.. 54

Hình 5‑5 Sơ đồ lực tác dụng lên con trượt55

Hình 5‑6 Thông số ray trượt trục Z. 56

Hình 5‑7 Biểu đồ momen trục chính. 61

Hình 6‑1 Giao thức CAD/CAM cơ bản. 64

Hình 6‑2 Revolve tạo bông hoa. 65

Hình 6‑3 Nhập phôi65

Hình 6‑4 Phôi66

Hình 6‑5 Khai báo dụng cụ tạo hình. 66

Hình 6‑6 Khai báo thông số gia công. 67

Hình 6‑7 Đường chạy dao dụng cụ. 67

Hình 6‑8 Xem thời gian gia công. 68

Hình 6‑9 Mô phỏng đường chạy dao bằng CIMCO Edit v7.0. 69

Hình 6‑10 Giao diện của phần mềm Mach3 Mill72

Hình 6‑11 Các chức năng MDI của Mach3. 73

Hình 6‑12 Cài đặt chân điều khiển cho mạch. 74

Hình 6‑13 Cài đặt thông số cho động cơ. 75

Hình 6‑14 Giao diện của tính năng theo dõi đường chạy dao khi máy chạy. 76

Hình 6‑15 Hướng dẫn chọn driver động cơ Yaskawa. 77

Hình 6‑16 Cách chọn driver động cơ trục chính. 78

Hình 7‑1 Cấu trúc máy trên phần mềm Solidworks79

Hình 7‑2 Hình ảnh cụm búa được mô hình trên Solidworks79

Hình 7‑3 Ứng suất trong tấm kim loại80

Hình 7‑4 Chuyển vị của tấm kim loại81

Hình 7‑5  Đặt tải và cố định bàn máy. 82

Hình7‑6  Ứng suất  trong chân đế. 83

Hình 7‑7  Chuyển vị của chân đế. 83

Hình7‑8 Đơn vị84

Hình 7‑9 Đặt tải và cố định khung. 84

Hình 7‑10 Ứng suất trong khung máy. 85

Hình 7‑11 Chuyển vị của khung máy. 85

danh MỤC bảng biểu

Bảng 1. Thành phần hóa học và kí hiệu của nhôm nguyên chất (theo ΓOCT 11069-74 Liên Xô cũ).15

Bảng 2. Chế độ và công nghệ sản xuất nhôm tấm 0,5 x 480 mm từ phôi tấm 5 x 1020 mm.. 16

Bảng 3 Quy chuẩn nhôm tấm thương mại tại Việt Nam.. 17

Bảng 4. Các kích thước cơ bản cán đồng tấm và hợp kim đồng tấm.. 19

Bảng 5. Chế độ ép khi cán nguội đồng thau tấm (Л62, Л63, Л68)20

Bảng 6.  Kích thước dụng cụ tạo hình tương ứng với chi tiết gia công. 34

Bảng 7 Kích thước tạo hình thích hợp cho mỗi loại đầu búa. 46

Bảng 8 Thông số Vít-đai ốc bi được chọn. Đơn vị (mm)50

Bảng 9 Thông số Vít-đai ốc bi được chọn. Đơn vị (mm)52

Bảng 10 Các thông số của ổ đũa côn. 62