Luận Văn Về Gia Công Chi Tiết Thành Mỏng: Kỹ Thuật và Tối Ưu Hóa

Chuyên khảo phân tích Luận văn gia công chi tiết thành mỏng, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Nguyễn Duy Khánh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Quảng
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Một Số Thông Số Công Nghệ Đến Biến Dạng Và Nhám Bề Mặt Khi Gia Công Chi Tiết Thành Mỏng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CHI TIẾT THÀNH MỎNG
• 1.1. Đặc điểm kết cấu và vật liệu của chi tiết thành mỏng
• 1.2. Đặc điểm chung của chi tiết thành mỏng
• 1.3. Phân loại chi tiết thành mỏng
• 1.4. Vật liệu chế tạo chi tiết thành mỏng
• 1.5. Ứng dụng của các chi tiết thành mỏng
• 1.6. Các phương pháp gia công chi tiết thành mỏng
• 1.7. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.7.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.7.2. Tình hình nghiên cứu nước ngoài
• 1.8. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH PHAY
• 2.1. Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại
• 2.2. Biến dạng dẻo trong quá trình cắt gọt kim loại
• 2.3. Quá trình hình thành phoi
• 2.4. Đặc trưng phương pháp phay khi gia công vật liệu hợp kim nhôm A6061
• 2.4.1. Đặc điểm phương pháp phay
• 2.4.2. Phay vật liệu hợp kim nhôm A6061
• 2.4.3. Đặc điểm quá trình phay chi tiết thành mỏng
• 2.5. Biến dạng trong gia công thành mỏng
• 2.6. Ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến độ nhám bề mặt và biến dạng chi tiết
• 2.6.1. Độ nhám bề mặt trong quá trình phay
• 2.6.2. Ảnh hưởng của một số thông số đến nhám bề mặt
• 2.6.3. Ảnh hưởng của một số yếu tố đến biến dạng của chi tiết
• 2.7. Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình gia công chi tiết thành mỏng phân tích
• 2.7.1. Tổng quan về phương pháp phần tử hữu hạn trong mô phỏng phân tích
• 2.7.2. Xây dựng mô hình mô phỏng phân tích
• 2.8. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
• 3.1. Thiết kế và tiến hành thí nghiệm
• 3.2. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm
• 3.3. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm
• 3.4. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
• 3.5. Lựa chọn trang thiết bị thí nghiệm
• 3.6. Kết quả nghiên cứu
• 3.6.1. Kết quả thực nghiệm với chỉ tiêu nhám bề mặt khi phay chi tiết thành mỏng vật liệu hợp kim nhôm A6061
• 3.6.2. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm với chỉ tiêu mức độ biến dạng chi tiết khi phay chi tiết thành mỏng vật liệu hợp kim nhôm A6061
• 3.7. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• 4. Hướng nghiên cứu tiếp theo
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về gia công chi tiết thành mỏng

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, gia công chi tiết thành mỏng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa thiết kế và sản xuất các sản phẩm cơ khí. Chi tiết thành mỏng, hay còn gọi là thin-walled components, có đặc điểm là tỉ lệ giữa chiều cao và độ dày lớn, thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ bền cao nhưng trọng lượng nhẹ. Việc gia công chi tiết này yêu cầu kỹ thuật cao và quy trình chính xác để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Các chi tiết này thường được sử dụng trong ngành hàng không, vũ trụ, và trong các thiết bị điện tử như tản nhiệt cho CPU, đèn LED công suất lớn. Tuy nhiên, việc sản xuất hàng loạt các chi tiết này vẫn gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc duy trì sự ổn định trong quá trình gia công.

1.1 Đặc điểm kết cấu và vật liệu của chi tiết thành mỏng

Chi tiết thành mỏng thường có cấu trúc phức tạp với nhiều khoang trống nhằm giảm trọng lượng mà vẫn đảm bảo độ cứng và khả năng chịu lực. Vật liệu chế tạo cho các chi tiết này rất đa dạng, từ nhựa tổng hợp đến các hợp kim như nhôm, titan và thép không gỉ. Sự lựa chọn vật liệu phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể về môi trường làm việc và tính chất cơ học của sản phẩm. Các hợp kim nhôm như A6061 thường được ưa chuộng nhờ vào tính dễ gia công và khả năng chống ăn mòn tốt. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp có ảnh hưởng lớn đến quy trình gia công và chất lượng sản phẩm cuối cùng.

1.2 Phân loại chi tiết thành mỏng

Chi tiết thành mỏng có thể được phân loại thành nhiều nhóm khác nhau dựa trên cấu trúc và quy trình chế tạo. Các loại phổ biến bao gồm chi tiết dạng tấm, dạng khung và monolithic block. Mỗi loại có đặc điểm riêng và yêu cầu quy trình gia công khác nhau. Chi tiết dạng monolithic thường được gia công từ phôi nguyên khối và yêu cầu loại bỏ 90–95% khối lượng ban đầu để tạo ra cấu trúc mong muốn. Điều này đòi hỏi công nghệ gia công tiên tiến để đảm bảo độ chính xác và chất lượng bề mặt. Phân loại này không chỉ giúp trong việc thiết kế mà còn trong việc phát triển quy trình sản xuất hiệu quả hơn.

II. Cơ sở lý thuyết quá trình phay

Quá trình phay là một trong những phương pháp gia công chi tiết thành mỏng phổ biến nhất. Quá trình này dựa trên nguyên lý cắt gọt, trong đó dụng cụ cắt quay với tốc độ cao để loại bỏ vật liệu từ phôi. Nguyên liệu gia công thường là các hợp kim nhôm như A6061, do tính chất cơ học tốt và khả năng gia công dễ dàng. Một trong những yếu tố quan trọng trong quá trình phay là xác định các thông số công nghệ như tốc độ cắt, lượng tiến dao và chiều sâu cắt. Những thông số này có ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhám bề mặt và mức độ biến dạng của chi tiết sau khi gia công.

2.1 Cơ sở vật lý quá trình cắt gọt kim loại

Quá trình cắt gọt kim loại diễn ra khi dao cắt tiếp xúc với phôi, tạo ra lực cắt và hình thành phoi. Khi thực hiện gia công chi tiết thành mỏng, lực cắt cần được kiểm soát chặt chẽ để tránh hiện tượng biến dạng không mong muốn. Các yếu tố như hình dạng dao, tốc độ cắt và vật liệu của phôi đều có tác động lớn đến quá trình này. Việc hiểu rõ cơ sở vật lý của quá trình cắt gọt sẽ giúp tối ưu hóa các thông số kỹ thuật, từ đó nâng cao hiệu quả gia công.

2.2 Đặc trưng phương pháp phay khi gia công vật liệu hợp kim nhôm A6061

Phay hợp kim nhôm A6061 yêu cầu chú ý đặc biệt đến thiết kế và lựa chọn dụng cụ cắt. Đặc điểm của hợp kim này là khả năng chống ăn mòn tốt và tính dễ gia công. Tuy nhiên, việc gia công cần được thực hiện trong điều kiện kiểm soát chặt chẽ để tránh hiện tượng biến dạng. Các thông số như tốc độ cắt, lượng tiến dao và chiều sâu cắt cần được điều chỉnh phù hợp để đạt được độ nhám bề mặt tối ưu. Việc áp dụng công nghệ phay hiện đại giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu lãng phí vật liệu trong quá trình sản xuất.

III. Xây dựng mô hình thực nghiệm và phân tích kết quả

Mô hình thực nghiệm được xây dựng nhằm phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến nhám bề mặt và biến dạng của chi tiết sau khi gia công. Các thí nghiệm được thực hiện trên trung tâm gia công CNC 5 trục với các thông số cắt được điều chỉnh theo tiêu chuẩn. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng có mối liên hệ chặt chẽ giữa các thông số như lượng tiến dao, tốc độ cắt và độ nhám bề mặt. Việc phân tích kết quả thực nghiệm giúp xác định được điều kiện gia công tối ưu cho chi tiết thành mỏng.

3.1 Thiết kế và tiến hành thí nghiệm

Thiết kế thí nghiệm được thực hiện dựa trên các thông số đã xác định từ lý thuyết. Các thí nghiệm được tiến hành với nhiều mức độ khác nhau của tốc độ cắt và lượng tiến dao để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến chất lượng bề mặt. Việc sử dụng các thiết bị đo lường chính xác giúp thu thập dữ liệu đáng tin cậy. Kết quả thí nghiệm sẽ được so sánh với các mô hình hồi quy đã xây dựng để đánh giá độ chính xác và khả năng dự đoán của mô hình.

3.2 Kết quả nghiên cứu

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc tăng tốc độ cắt sẽ dẫn đến giảm độ nhám bề mặt, tuy nhiên cũng có thể làm tăng mức độ biến dạng của chi tiết. Mô hình hồi quy được xây dựng cho thấy mối quan hệ giữa các thông số cắt và chất lượng bề mặt có thể dự đoán được với độ chính xác cao. Điều này cho phép các kỹ sư có thể tối ưu hóa quy trình gia công dựa trên các thông số đã được phân tích, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Gia công chi tiết thành mỏng là một lĩnh vực quan trọng trong ngành kỹ thuật cơ khí hiện đại, đặc biệt trong các ngành hàng không, ô tô và điện tử. Theo ước tính, chi tiết thành mỏng có tỉ lệ chiều cao trên độ dày thường lớn hơn 3,5, với vật liệu phổ biến như hợp kim nhôm A6061 có tỉ lệ mỏng từ 4 đến 28,6. Việc gia công các chi tiết này đòi hỏi độ chính xác cao và kiểm soát biến dạng cũng như độ nhám bề mặt để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên, do đặc tính kết cấu mỏng và độ cứng vững thấp, chi tiết thành mỏng dễ bị biến dạng và rung động trong quá trình gia công, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bề mặt và kích thước cuối cùng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích ảnh hưởng của một số thông số công nghệ như vận tốc cắt, lượng tiến dao và chiều sâu cắt đến biến dạng và độ nhám bề mặt khi phay chi tiết thành mỏng bằng hợp kim nhôm A6061. Nghiên cứu được thực hiện trên trung tâm gia công CNC 5 trục với dao phay hợp kim liền khối, trong phạm vi gia công phay biên dạng. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc xác định điều kiện gia công tối ưu, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất trong các ngành công nghiệp sử dụng chi tiết thành mỏng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về quá trình cắt gọt kim loại, trong đó nhấn mạnh đến biến dạng dẻo và cơ chế hình thành phoi trong gia công. Lý thuyết biến dạng dẻo mô tả sự thay đổi ứng suất và biến dạng trong vùng cắt, phân biệt các vùng biến dạng chính và biến dạng trượt trên phoi. Hệ số co rút phoi được sử dụng làm chỉ tiêu đánh giá mức độ biến dạng của vật liệu sau gia công. Ngoài ra, các lý thuyết về truyền nhiệt trong quá trình cắt và ứng suất dư trên bề mặt chi tiết cũng được áp dụng để giải thích hiện tượng biến dạng và ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt.

Mô hình phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng để mô phỏng biến dạng chi tiết thành mỏng trong quá trình phay, dựa trên đường cong ứng suất biến dạng đặc trưng của hợp kim nhôm A6061. Các khái niệm chính bao gồm: tỉ lệ mỏng của chi tiết, biến dạng dẻo, hệ số co rút phoi, ứng suất dư và độ nhám bề mặt (Ra, Rz).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quá trình phay chi tiết thành mỏng trên máy CNC 5 trục DMG MORI DMU 50 2nd generation, sử dụng dao phay hợp kim liền khối D10 YG-1® E5D70100*3 và vật liệu hợp kim nhôm A6061. Cỡ mẫu thực nghiệm gồm nhiều mẫu chi tiết với các tổ hợp thông số chế độ cắt khác nhau, được thiết kế theo ma trận thực nghiệm chuẩn.

Phân tích dữ liệu thực nghiệm sử dụng phương pháp hồi quy để xây dựng mô hình dự đoán độ nhám bề mặt và biến dạng chi tiết. Mô hình FEM được xây dựng và hiệu chỉnh dựa trên dữ liệu thực nghiệm để mô phỏng biến dạng chi tiết. Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian thực hiện luận văn, với các bước thiết kế thí nghiệm, thu thập dữ liệu, phân tích và kiểm định mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt: Kết quả thực nghiệm cho thấy khi tăng vận tốc cắt từ khoảng 50 m/phút lên 200 m/phút, độ nhám bề mặt Ra giảm trung bình 15%, cho thấy vận tốc cắt cao giúp cải thiện chất lượng bề mặt gia công.

2. Ảnh hưởng của lượng tiến dao đến biến dạng chi tiết: Lượng tiến dao tăng từ 0,05 mm/vòng lên 0,15 mm/vòng làm mức độ biến dạng chi tiết tăng khoảng 20%, do lực cắt tăng và giảm độ cứng vững của chi tiết thành mỏng.

3. Ảnh hưởng của chiều sâu cắt đến biến dạng và nhám bề mặt: Chiều sâu cắt tăng từ 0,2 mm lên 0,6 mm làm biến dạng chi tiết tăng 25% và độ nhám bề mặt tăng 10%, phản ánh sự gia tăng lực cắt và rung động trong quá trình gia công.

4. Mô hình hồi quy và mô phỏng FEM: Mô hình hồi quy xây dựng có hệ số xác định R² trung bình khoảng 0,85 cho cả độ nhám và biến dạng, cho thấy khả năng dự đoán tốt. Kết quả mô phỏng FEM tương đồng với kết quả thực nghiệm, sai số dưới 10%, khẳng định tính chính xác của mô hình mô phỏng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của biến dạng chi tiết thành mỏng là do lực cắt tác động lên chi tiết có độ cứng vững thấp, dẫn đến rung động và biến dạng đàn hồi. Vận tốc cắt cao giúp giảm thời gian tiếp xúc giữa dao và chi tiết, giảm nhiệt sinh ra và lực cắt, từ đó cải thiện độ nhám bề mặt. Tuy nhiên, lượng tiến dao và chiều sâu cắt tăng làm tăng lực cắt, gây biến dạng lớn hơn và giảm chất lượng bề mặt.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả phù hợp với xu hướng chung về ảnh hưởng của thông số công nghệ đến biến dạng và nhám bề mặt. Việc kết hợp mô hình hồi quy và mô phỏng FEM giúp cung cấp công cụ dự đoán chính xác, hỗ trợ tối ưu hóa chế độ gia công chi tiết thành mỏng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa từng thông số công nghệ với biến dạng và độ nhám, cũng như bảng so sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng để minh họa độ tin cậy của mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu vận tốc cắt: Đề xuất sử dụng vận tốc cắt trong khoảng 150-200 m/phút để giảm độ nhám bề mặt, nâng cao chất lượng sản phẩm. Thời gian áp dụng: ngay trong các quy trình gia công hiện tại. Chủ thể thực hiện: kỹ sư công nghệ và vận hành máy CNC.

2. Kiểm soát lượng tiến dao: Giới hạn lượng tiến dao không vượt quá 0,1 mm/vòng để hạn chế biến dạng chi tiết, đảm bảo độ chính xác kích thước. Thời gian áp dụng: trong các chương trình gia công mới. Chủ thể thực hiện: bộ phận lập trình CNC.

3. Giới hạn chiều sâu cắt: Khuyến nghị chiều sâu cắt tối đa 0,4 mm để cân bằng giữa năng suất và chất lượng, giảm rung động và biến dạng. Thời gian áp dụng: trong các quy trình gia công chi tiết thành mỏng. Chủ thể thực hiện: kỹ thuật viên gia công.

4. Ứng dụng mô hình dự đoán: Sử dụng mô hình hồi quy và mô phỏng FEM để dự đoán biến dạng và độ nhám trước khi gia công, giúp lựa chọn chế độ cắt tối ưu. Thời gian áp dụng: dài hạn, tích hợp vào phần mềm lập trình gia công. Chủ thể thực hiện: phòng nghiên cứu và phát triển công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư công nghệ gia công: Nắm bắt các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng gia công chi tiết thành mỏng, áp dụng các giải pháp tối ưu chế độ cắt nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên kỹ thuật cơ khí: Tham khảo cơ sở lý thuyết, mô hình mô phỏng và kết quả thực nghiệm để phát triển nghiên cứu sâu hơn về gia công chi tiết thành mỏng.

3. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí chính xác: Áp dụng các khuyến nghị và mô hình dự đoán để cải thiện quy trình gia công, giảm phế phẩm và tăng năng suất.

4. Sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Học tập về quá trình phay, biến dạng chi tiết thành mỏng và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp mô phỏng FEM, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu và luận văn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chi tiết thành mỏng dễ bị biến dạng khi gia công?
   Chi tiết thành mỏng có độ cứng vững thấp do tỉ lệ chiều cao trên độ dày lớn, lực cắt tác động dễ gây rung động và biến dạng đàn hồi, ảnh hưởng đến kích thước và chất lượng bề mặt.

2. Thông số công nghệ nào ảnh hưởng nhiều nhất đến độ nhám bề mặt?
   Vận tốc cắt và lượng tiến dao là hai thông số chính. Vận tốc cắt cao giúp giảm độ nhám, trong khi lượng tiến dao lớn làm tăng độ nhám do lực cắt và rung động tăng.

3. Mô hình FEM giúp gì trong nghiên cứu này?
   Mô hình FEM mô phỏng biến dạng chi tiết trong quá trình gia công, giúp dự đoán mức độ biến dạng và hỗ trợ tối ưu hóa chế độ cắt trước khi thực hiện thực nghiệm.

4. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho vật liệu khác không?
   Kết quả chủ yếu áp dụng cho hợp kim nhôm A6061, tuy nhiên phương pháp nghiên cứu và mô hình có thể điều chỉnh để áp dụng cho các vật liệu khác với đặc tính cơ học tương tự.

5. Làm thế nào để giảm biến dạng chi tiết thành mỏng trong sản xuất hàng loạt?
   Ngoài việc tối ưu chế độ cắt, cần sử dụng đồ gá chắc chắn, kiểm soát rung động và áp dụng công nghệ gia công cao tốc để giảm lực cắt và biến dạng.

Kết luận

• Chi tiết thành mỏng có đặc điểm kết cấu mỏng, dễ bị biến dạng và ảnh hưởng lớn bởi chế độ công nghệ gia công.
• Vận tốc cắt, lượng tiến dao và chiều sâu cắt là các thông số công nghệ chính ảnh hưởng đến biến dạng và độ nhám bề mặt.
• Mô hình hồi quy và mô phỏng FEM được xây dựng có độ chính xác cao, hỗ trợ dự đoán và tối ưu hóa quá trình gia công.
• Các giải pháp đề xuất giúp cải thiện chất lượng gia công, giảm biến dạng và nâng cao hiệu quả sản xuất.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển ứng dụng mô hình mô phỏng trong thiết kế và điều khiển quá trình gia công chi tiết thành mỏng.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng các mô hình dự đoán vào thực tế sản xuất và mở rộng nghiên cứu cho các vật liệu và phương pháp gia công khác. Đề nghị các đơn vị sản xuất và nghiên cứu phối hợp để phát triển công nghệ gia công chi tiết thành mỏng hiệu quả hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CHI TIẾT THÀNH MỎNG 1. ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU VÀ VẬT LIỆU CỦA CHI TIẾT THÀNH MỎNG 1. Đặc điểm chung của chi tiết thành mỏng Chi tiết thành mỏng (thin-walled component) là thuật ngữ dùng để chỉ các chi tiết có kết cấu hoặc một phần kết cấu có kích thước một chiều nhỏ hơn nhiều lần so với hai chiều còn lại. Dạng chi tiết thành mỏng đa dạng về kết cấu, trong đó đặc điểm chính của nhóm chi tiết này là có nhiều khoang trống.

Chi tiết thành mỏng đặc trưng bởi tỉ lệ mỏng được xác định bằng chiều cao (h) chia cho độ dày (w) [14] như hình 1.1, tỉ lệ này sẽ khác nhau tùy thuộc vào vật liệu, kích thước chi tiết, tuy nhiên trong hầu hết trường hợp sẽ lớn hơn 3,5 [47]. Ví dụ, đối với vật liệu hợp kim nhôm A6061 tỉ lệ mỏng thông thường trong khoảng từ 4 đến 28,6 [9].1 Xác định tỉ lệ mỏng của chi tiết thành mỏng vật liệu hợp kim nhôm A6061[44] Các chi tiết thành mỏng ngày nay là kết quả của quá trình tối ưu hóa trong thiết kế trong một thời gian dài. Theo đó, quá trình thiết kế sản phẩm cơ khí luôn song song với việc tính toán phân tích nhằm cải thiện sản phẩm theo hướng đáp 8 ứng tốt hơn một số chỉ tiêu nhất định và đồng thời giữ được sự cân bằng trong các chỉ tiêu còn lại. Các chi tiết thành mỏng thường có sự phân bố vật liệu hợp lí giúp chi tiết có khối lượng nhẹ, thể tích của sản phẩm nhỏ trong khi vẫn đáp ứng được các yêu cầu về độ cứng toàn phần, năng lượng biến dạng, tần số dao động tự nhiên…trong quá trình làm việc.

Các đặc điểm này là một trong những chỉ tiêu quan trọng trong tối ưu hóa thiết kế cơ khí [7], đồng thời là tiêu chí hàng đầu cho các sản phẩm sử dụng trong các lĩnh vực: hàng không, vũ trụ, ô tô, hàng hải và nhiều ngành công nghiệp nặng khác… Hình 1.2 Kết cấu thành mỏng trong khung cánh máy bay [47] 1. Phân loại chi tiết thành mỏng Trên thực tế, có nhiều quan điểm trong phân loại chi tiết thành mỏng được đưa ra dựa vào các tiêu chí khác nhau. Theo đó, các chi tiết thành mỏng có thể được phân loại thành nhóm chi tiết dạng tấm, dạng khung (hình 1.3 c và d) và “monolithic block” (hình 1.3 a và b), với thuật ngữ “monolithic block” được dùng để chỉ các chi tiết, sản phẩm có ít nhất một phần chi tiết đáp ứng tỉ lệ mỏng như hình 1. Tuy nhiên, cũng có những công bố khoa học đã bác bỏ quan điểm trên [14], theo đó các chi tiết dạng tấm sẽ được tách riêng ra khỏi chi tiết dạng thành mỏng do đặc điểm về kết cấu và quy trình chế tạo tách biệt với những nhóm 9 còn lại.

Như vậy, cách phân loại chi tiết thành mỏng thành cấu trúc dạng khung và nhóm monolithic block phổ biến hơn cả. Điểm chung của các cách phân loại trên là nhóm chi tiết monolithic block được coi là điển hình của chi tiết thành mỏng, đặc biệt là với các chi tiết gia công bằng phương pháp cắt gọt. Chi tiết dạng monolithic c. Chi tiết dạng khung block Hình 1.3 Một số chi tiết thành mỏng Các chi tiết trong nhóm này có kết cấu phức tạp thường được gia công từ các phôi nguyên khối.

Chi tiết được tạo ra bằng cách loại bỏ 90–95% khối lượng vật liệu ban đầu của phôi thông qua quá trình gia công cắt gọt [25, 44]. Quá trình gia công nhằm loại bỏ tối đa phần vật liệu thừa với mục đích tạo các khoang trống 10 giảm trọng lượng nhưng vẫn giữ cấu trúc của chi tiết đảm bảo độ bền. Ngày nay, các chi tiết dạng này thường được sản xuất trên các máy gia công điều khiển số CNC với độ chính xác cao. Tuy nhiên, vấn đề thường gặp phải trong quá trình gia công là độ cứng vững của chi tiết kém.

Các sản phẩm phổ biến của nhóm chi tiết này đa dạng từ đơn giản như các chi tiết tản nhiệt cho mạch điện tử đến các chi tiết phức tạp như: tua-bin, cánh quạt, blicks,… Nhóm còn lại, thường được gọi là các kết cấu khung, chủ yếu sử dụng trong kết cấu thân vỏ, cánh máy bay và một số sản phẩm cơ khí ứng dụng trong ngành hàng không như: vách ngăn các khoang, cửa ra vào, khung cánh vệ tinh, có tỉ lệ mỏng cao hơn 10 [41]. Các sản phẩm này được gia công để bỏ đi phần lớn vật liệu, giảm trọng lượng của chi tiết tối đa. Trước khi các máy gia công cắt gọt điều khiển số CNC trở nên phổ biến, phần lớn những chi tiết này đã được gia công bằng cách sử dụng phương pháp ăn mòn điện hóa. Tuy nhiên phương pháp này gây ô nhiễm, không tạo ra ứng suất dư cho bề mặt chi tiết và yêu cầu hệ thống gá kẹp phức tạp.

Do đó, từ năm 2007 chủ yếu do môi trường lý do, các trung tâm gia công CNC đặc biệt đã được thiết kế và sử dụng thay cho phương pháp truyền thống nêu trên [39]. Những máy CNC này được chế tạo với hai đầu mang dao đối xứng, do đó toàn bộ quá trình phay chi tiết đều là phay đối xứng để đảm bảo giảm thiểu mức độ biến dạng do lực cắt. Vật liệu chế tạo chi tiết thành mỏng Tùy theo yêu cầu về môi trường làm việc các chi tiết thành mỏng được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau từ các loại nhựa tổng hợp, hợp kim nhôm, thép cho tới hợp kim titan, hợp kim niken,… Nhìn chung ta có thể chia thành hai nhóm chính như sau: 11 a. Nhóm vật liệu thông dụng Những vật liệu này đã và đang được sử dụng phổ biến với ưu điểm là dễ gia công và chi phí thấp thường được dùng cho các sản phẩm tiêu dùng và phần lớn các sản phẩm thành mỏng sử dụng trong các ngành công nghiệp chế tạo như: Thép cacbon, hợp kim nhôm, thép không gỉ,… Ví dụ: Chi tiết tản nhiệt sử dụng cho các bóng LED công suất lớn thường được chế tạo bằng hợp kim nhôm A5052 và A6061.

Nhóm vật liệu đặc biệt Nhóm vật liệu này bao gồm các vật liệu có một số tính chất đặc biệt nhất định như độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy cao, có tính trơ với các phản ứng hóa sinh,… Các hợp kim của nhôm với titan là loại vật liệu chế tạo máy bay không thể thay thế hiện nay. Nhiệt độ chịu đựng có thể lên tới 10400C. Trong động cơ máy bay phản lực thế hệ mới, hợp kim này chiếm 18% - 25% trọng lượng. Trong máy bay Boeing 747, hợp kim titan chiếm 28% trọng lượng động cơ [24], đối với loại máy bay siêu âm thế hệ mới, hợp kim titan chiếm 95% tổng trọng lượng của máy bay.

Ngoài ra, trong chế tạo tên lửa, vệ tinh nhân tạo và tàu vũ trụ, người ta cũng sử dụng một lượng rất lớn hợp kim của titan. Hiện nay trên thế giới, 3/4 lượng titan và hợp kim của titan được sản xuất để phục vụ cho ngành công nghiệp hàng không vũ trụ. Vì vậy, nếu không có hợp kim titan, tương lai ngành hàng không vũ trụ khó có thể tiếp tục phát triển. Trong đó hợp kim titan có công thức hóa học Ti6Al4V đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, đóng tàu với các đặc tính ưu việt như: trọng lượng nhẹ, độ bền cao, chống ăn mòn tốt nên có thể đáp ứng các yêu cầu đặc biệt thích hợp chế tạo các chi tiết có tỉ lệ hiệu suất tổng thể trên khối lượng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cao trong lĩnh vực hàng không [28].

Với các sản phẩm sử dụng trong ngành y tế cần đáp ứng yêu cầu về khả năng chống ăn mòn kim loại, qua các thí nghiệm bằng các phương pháp điện hóa với dung dịch huyết tương nhân tạo xác định hợp kim Ti5Al7Nb thụ động về 12 mặt hóa học trong môi trường huyết tương nhân tạo. Đối với thí nghiệm thử nhúng, hàm lượng kim loại thôi ra dung dịch đều nằm dưới giới hạn gây nguy hại cho cơ thể người [47]. ỨNG DỤNG CỦA CÁC CHI TIẾT THÀNH MỎNG Từ những ưu điểm như đã trình bày ở trên là lý do chi tiết thành mỏng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp và trong cuộc sống hàng ngày. Ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ: Các bộ phận kết cấu máy sử dụng trong công nghệ hàng không vũ trụ luôn có những yêu cầu đặc biệt so với hầu hết các ngành còn lại.

Các chi tiết cơ khí thường được sản xuất đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất làm việc trên trọng lượng chi tiết, theo đó trung bình tỉ lệ này trong sản xuất máy bay và các thiết bị hàng không cao hơn ít nhất 6,5 lần so với ngành sản xuất ô tô [18]. Khi chi tiết được chế tạo với tỉ lệ hiệu năng trên khối lượng tốt đồng nghĩa với việc các kết cấu, máy, cụm máy sẽ trở nên nhẹ hơn mà vẫn đảm bảo các yêu cầu về độ bền, độ cứng vững và tần số dao động tự nhiên của chi tiết. Để đạt được điều này yêu cầu các chi tiết phải trải qua quá trình tính toán thiết kế và hiệu chỉnh trong một thời gian dài. Quá trình phát triển của một sản phẩm hàng không được mô tả như hình 1.4, chi tiết sẽ được giảm khối lượng bằng cách bỏ đi các phần vật liệu “thừa” đối với khả năng làm việc của chi tiết.

Thông qua nhiều bước tính toán kết hợp với việc mô phỏng điều kiện hoạt động của chi tiết trong thực tế các nhà nghiên cứu đã tìm ra được cấu trúc nhẹ nhất hay nói cách khác là sử dụng ít vật liệu nhất nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu làm việc của chi tiết. Việc loại bỏ tối đa vật liệu để thu được chi tiết cuối cùng thường cho ra kết quả là các kết cấu có dạng phức tạp gồm các chi tiết dạng thanh, tấm mỏng lắp ghép với nhau hay nói cách khác chính là kết cấu gồm nhiều chi tiết thành mỏng. Phần lớn khung của các máy bay ngày nay đều có cấu trúc dạng thành mỏng và được chế 13 tạo từ những loại hợp kim có cơ tính tốt nhưng khối lượng riêng lại nhỏ như: hợp kim nhôm Magie, hợp kim nhôm Titan: Ti6Al4V… Hình 1.4 Tối ưu hóa thiết kế chi tiết cánh sau trên máy bay Airbus A350[18] Ngoài ra, trong ngành hàng không có một số nhóm sản phẩm mà bản thân thiết kế ban đầu đã thuộc dạng chi tiết thành mỏng do các yêu cầu về công năng sử dụng ví dụ như các loại turbin, cánh quạt dùng trong động cơ phản lực (hình 1.