CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I. Tổng quan về công nghệ, sản phẩm và thiết kế miết Miết CNC là quá trình gia công chủ yếu trong nhiều lĩnh vực dân dụng và công nghiệp. Các chi tiết dạng tấm thường dễ dàng được bắt gặp xung quanh ta từ các vật dụng nội thất và gia dụng cho đến các loại máy móc thiết bị trong công nghiệp. Đặc biệt, trong công nghiệp ô tô, nó được dùng nhiều hơn cả.
Những thập niên gần đây, thế giới đã chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, công nghệ thông tin – truyền thông làm thay đổi nhiều mặt của nền kinh thế xã hội. Ý thức của con người nói chung và ý thức tiêu dùng nói riêng ngày càng được nâng cao. Do đó, nhu cầu về các sản phẩm cũng ngày càng khắc khe và đa dạng hơn. Chiến lược phát triển của các nhà sản xuất cũng tập trung vào việc thường xuyên cải tiến sản phẩm, thay đổi mẫu mã, phát triển sản phẩm mới trong thời gian nhanh nhất với chi phí thấp nhất.
Để làm được việc đó nhà sản xuất phải rút ngắn thời gian trong hai khâu quan trọng là thiết kế và chế tạo mẫu thử nghiệm. Sự phát triển của các hệ thống thiết kế với sự trợ giúp của máy tính (CAD) cho phép rút ngắn thời gian thiết kế một cách đáng kể và có khả năng thiết kế được các chi tiết phức tạp. Các phương pháp gia công kim loại tấm truyền thống: uốn, dập vuốt, tạo hình nổi, nong, tóp, miết… (gọi chung là dập) thì cần phải có khuôn (chày hoặc cối, hoặc cả chày và cối) và các loại máy chuyên dùng. Mỗi chi tiết có thể trải qua một hoặc nhiều thao tác dập mới hình thành được hình dạng của sản phẩm.
Số thao tác được căn cứ vào một hệ số (gọi là hệ số vuốt) phụ thuộc vào tính chất vật liệu, độ dày, điều kiện thực hiện thao tác như bề mặt khuôn, bôi trơn, tốc độ vuốt Điều này đồng nghĩa với việc sẽ có một hoặc nhiều khuôn cho một sản phẩm dập. Cho nên, phương pháp dập tốn kém và mất nhiều thời gian nếu áp dụng cho việc chế tạo mẫu. Dập chỉ được áp dụng trong sản xuất hàng loạt và hàng khối vì chỉ có gia công với số lượng lớn mới giảm được giá thành sản phẩm. Mặt khác, với những tấm làm bằng các hợp kim độ cứng cao (hợp kim nhôm, hợp kim titan, hợp kim magiê…) thì dập hầu như không làm được.1 Các phương pháp tạo hình tấm truyền thống Phương pháp biến dạng kim loại bằng áp lực, hay công nghệ biến dạng tạo hình là một phương pháp công nghệ, vừa là công nghệ chuẩn bị - tạo phôi cho công nghệ cơ khí vừa là công nghệ tạo hình sản phẩm cuối cùng, không những cho phép tạo ra hình dáng, kích thước sản phẩm mà còn cho sản phẩm kim loại một chất lượng cao về tinh chất cơ – lý – hóa, tiết kiệm nguyên vật liệu, và cho năng suất lao động cao, từ đó hạ giá thành sản phẩm.
Là dạng công nghệ duy nhất cùng một lúc biến đổi hình dáng kích thước và tổ chức kim loại, nên chúng được ứng dụng khi yêu cầu chất lượng sản phẩm cao. Trong điều kiện biến dạng và xử lý nhiệt nhất định, tổ chức kim loại thay đổi: phá bỏ tổ chức đúc, tạo tổ chức thớ, làm nhỏ hạt tinh thể, tạo tectua, phá vỡ và làm phân tán các hạt tạp chất, nhờ đó làm tăng tính bền, độ dai va đập, khả năng chịu mỏi, chịu va đập, tăng tuổi thọ sản phẩm. Sản phẩm của Công nghệ áp lực rất đa dạng, gia công nhiều loại vật liệu. Có thể tạo ra trạng thái siêu dẻo, gia công với biến dạng lớn hoặc gia công các vật liệu khó biến dạng.
Trải qua một thời gian phát triển lâu dài, ngành công nghệ kim loại mới được các nhà khoa học nghiên cứu lý thuyết, phân loại dựa trên các đặc điểm về gia công tạo hình. Các công nghệ gia công áp lực cổ điển như: Cán, Kéo, Ép, Rèn, Dập, chiếm trên 80% tổng sản lượng các sản phẩm kim loại tấm và đang tiếp tục hoàn thiện công nghệ, bảo đảm năng suất chất lượng sản phẩm. Mặt khác, cùng với thế mạnh về công nghệ so với các phương pháp sản xuất cơ khí khác như dập vuốt, miết dựa trên sự biến dạng cục bộ từng phần của sản phẩm nên lực công nghệ yêu cầu nhỏ hơn rất nhiều, dẫn đến yêu cầu về trang thiết bị nhỏ gọn hơn do đó phù hợp với sản xuất loạt nhỏ, hay đơn chiếc. Hiện nay trên thế giới, các nước công nghiệp phát triển như Mỹ, Nga, Đức… đã đạt được rất nhiều thành tựu trong việc áp dụng công nghệ miết để chế tạo những chi tiết khó, phức tạp.
Họ cũng đã sản xuất được các máy miết hiện đại được điều khiển theo chương trình số có công suất lớn ứng dụng mạnh mẽ vào công nghiệp nặng. Các máy miết chuyên dụng được thiết kế để chế tạo một số chủng loại sản phẩm xác định có kiểu dáng kích thước phù hợp với chủng loại sản phẩm đó. Tuy nhiên trong tình hình phát triển công nghệ miết mạnh mẽ trên thế giới như vậy, thì với điều kiện sản xuất của nước ta, các cơ sở sản xuất cơ khí chưa thể chế tạo ra các máy miết chuyên dụng hiện đại, mà chủ yếu hoạt động trên các máy CNC 10 Luan van công suất vừa và lớn được điều khiển theo chương trình số đều được nhập từ nước ngoài với giá thành rất cao. Chính điều đó đã hạn chế rất lớn đến việc ứng dụng, phát triển công nghệ miết ở nước ta hiện nay.
Đồng thời đặt ra cho các nhà khoa học hoạt động trong lĩnh vực cơ khí nước nhà bài toán cần đi tìm lời giải là làm sao ứng dụng, phát huy được công nghệ miết với những ưu thế vượt trội vào điều kiện sản xuất của nước ta hiện nay.2 Lịch sử phát triển của phương pháp ISF Thời Kỳ 1: -1996; thời kỳ này có thể được coi là lịch sử ban đầu; mặc dù bằng sáng chế về công nghệ này đã được cấp rộng rãi. Trong giai đoạn đó 1996 có thể được coi là ISF (xem phần tiếp theo), những phát triển ban đầu này chỉ sử dụng SPIF (xem phần tiếp theo để biết định nghĩa); Giai đoạn 2: 1993-2000: giai đoạn này cho thấy nhiều sự phát triển theo hướng ISF 'hiện đại' bao gồm các biến thể khác như TPIF (xem phần tiếp theo), nhưng độc quyền ở Viễn Đông và bằng sáng chế về công nghệ này chỉ được cấp ở Nhật Bản; Giai đoạn 3: từ năm 2000 đến nay càng có nhiều hoạt động nghiên cứu về lĩnh vực này ở bên phương Tây Hình 1.2: Phương pháp ISF Năm 1967, Leszak phát minh một phương pháp tạo hình kim loại không dùng khuôn bằng cách sử dụng chuyển động của dụng cụ được điều khiển số. Phương pháp này sử dụng một dụng cụ đơn giản, biến dạng từ từ vật liệu kim loại dạng tấm theo từng lớp để đạt được hình dạng của sản phẩm hoàn thiện. Trong thời điểm đó, khả năng áp 11 Luan van dụng điều khiển số còn hạn chế, do vậy việc ứng dụng phương pháp này vào thực tiễn vẫn còn chưa khả thi.
Đầu những năm của thập niên 90, có một số nghiên cứu công bố về phương pháp này trong lĩnh vực kim loại tấm (Powell và Andrew, 1992: Iseki, 1992; Kitazawa, 1993: Matsubara, 1994) nhưng vẫn còn hạn chế trong nghiên cứu. Vấn đề về độ chính xác của phương pháp này vẫn còn là một thách thức vì thế chúng chưa trở thành một phương pháp có thể ứng dụng đại trà trong công nghiệp. Đến cuối năm 2005, phương pháp đã này trở thành một trong các chủ đề của nhiều hội nghị khoa học trên thế giới, nhiều nghiên cứu khoa học được công bố giúp tăng bước hiểu rõ mỗi quan hệ giữa các thông số và quá trình biến dạng của cộng nghệ tạo hình kim loại tấm này (Felice và Micari 2006, Hirt, Young, Jeswiet 2006) Không giống những quá trình biến dạng kim loại tấm khác, quá trình tạo hình tấm bằng biến dạng cục bộ liên tục không yêu cầu bất kỳ chày hay khuôn chuyên dụng nào để tạo ra những hình dạng phức tạp, bởi vậy nó giống như tạo mẫu nhanh. Quá trình sử dụng một dụng cụ đầu cầu, tiêu chuẩn, đường kính có thể nhỏ hơn rất nhiều so với chi tiết được gia công.
Suốt quá trình biến dạng, dụng cụ di chuyển theo một chiều 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. Giới thiệu về công nghệ tạo hình gia tăng (Incremental Sheet Forming - ISF) 1.1 Mô tả ISF là kỹ thuật tạo hình không khuôn cho vật liệu tấm.
ISF sử dụng một dụng cụ đầu tròn chạy theo một quỹ đạo xác định được điều khiển bằng chương trình số làm biến dạng tấm kim loại được kẹp chặt trên bàn máy hoặc đồ gá để tạo ra hình dáng sản phẩm mong muốn. Vật liệu tấm có thể là kim loại hoặc polymer. Dụng cụ được gắn trên máy điều khiển số, có thể là máy ISF chuyên dùng hoặc máy CNC ba trục hoặc cánh tay robot. Từng lớp vật liệu theo phương ngang sẽ biến dạng dẻo cục 12 Luan van bộ liên tục trong suốt quá trình gia công để hình thành nên hình dạng cuối cùng của sản phẩm [2].
Bề dày của mỗi lớp phụ thuộc vào bước tiến theo phương thẳng đứng ∆z của quỹ đạo dụng cụ. Các bước trong quy trình ISF được mô tả trong (Hình 1.4): 1) Phôi được kẹp chặt trên đồ gá. 2) Dụng cụ đi xuống và tiếp xúc với phôi. 3) Dụng cụ chuyển động theo quỹ đạo để tạo hình lớp đầu tiên.
4) Dụng cụ lặp lại chuyển động để tạo hình các lớp tiếp theo cho đến hết quỹ đạo.1: Các bước trong quy trình ISF Với kỹ thuật này, một chi tiết kim loại tấm chỉ được gia công trong thời gian ngắn từ mô hình CAD mà không cần qua các công đoạn làm khuôn và sửa khuôn vốn phức tạp và đắt tiền Hình 1.2: Quy trình ISF 13 Luan van Quy trình ISF được mô tả như. Mô hình 3D của sản phẩm kim loại tấm được thiết kế trên các phần mềm CAD (AutoCad, Creo, Solidwork hoặc Catia, …), hoặc được xuất ra từ các phần mềm 3D khác theo các chuẩn IGES, STEP. Từ dữ liệu 3D CAD này, thông qua các ứng dụng CAM (Creo hay Catia, …), quỹ đạo của dụng cụ và các thông số công nghệ (vận tốc vòng của dụng cụ, bước tiến, chiều sâu, …) được thiết lập.