CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 1.1 Công nghệ SPIF 1.1 Các phương pháp gia công tấm cổ điển Công nghệ gia công kim loại tấm ra đời từ lâu với các sản phẩm phục vụ nông nghiệp, gia dụng, nhưng phải chờ đến thế kỷ thứ 18 khi cuộc cách mạng kỹ nghệ cơ khí phát triển tại Anh thì công nghệ gia công tấm không khuôn mới được nghiên cứu sâu về lý thuyết và ứng dụng với nhiều phương pháp như gò và miết (Spinning) tạo biến dạng cho tấm dưới áp lực của con lăn hay đầu điểm ép và trượt trên bề mặt phôi quay tròn cho sản phẩm có dạng tròn xoay. Miết có con lăn được phát triển để thay ma sát trượt bằng ma sát lăn. Tuy nhiên, phương pháp miết chỉ chế tạo được các chi tiết tròn xoay (hình 1.1) chưa thể tạo hình các sản phẩm có hình dạng bất kỳ. 1 Công nghệ Miết với sản phẩm tròn xoay 1.2 Nhu cầu và sự ra đời của công nghệ SPIF Các phương pháp gia công tấm cổ điển được sử dụng hiệu quả trong sản xuất hàng loạt lớn.
Đối với các sản phẩm tấm có hình dạng phức tạp, nhưng sản lượng đơn chiếc, chế tạo thử thì chi phí chế tạo khuôn rất tốn kém, không đủ bù chi phí ban đầu. Vì vậy, từ 1 thập niên 60 của thế kỷ 20, các nhà công nghệ đã cố gắng tìm kiếm các biện pháp gia công hiệu quả, phù hợp hơn. Năm 1967, lần đầu tiên Edward Leszak (Mỹ) đã đưa ra phương pháp tạo hình “Single Point Incremental Forming”- SPIF bằng cách điều khiển quĩ đạo của dụng cụ tạo hình để tạo hình sản phẩm tấm. Mặc dù nhận được bằng sáng chế năm 1967 [13] nhưng lúc đó công nghệ này chưa hiện thực được do kỹ thuật điều khiển thời đó còn thô sơ, phải chờ đến thập niên 90, khi kỹ thuật điều khiển số và sự xuất hiện các máy gia công CNC thì SPIF mới bắt đầu được nghiên cứu trong các viện nghiên cứu, các trường đại học và sau đó chiếm một vị trí quan trọng trong sản xuất.
Đây là một nhánh của phương pháp tạo hình tấm bằng biến dạng cục bộ liên tục ISF, có thể tạo ra các hình dạng sản phẩm bất kỳ không đối xứng mà không dùng khuôn. ISF được phân biệt thành hai phương pháp khác nhau: Single Point Incremental Forming (SPIF): công nghệ tạo hình cục bộ liên tục đơn điểm, có dụng cụ tác dụng trên một mặt của tấm còn mặt kia biến dạng tự do. Phương pháp này không cần dùng khuôn có hình dạng của sản phẩm mà chỉ cần có tấm tựa dưới có cùng chu vi với sản phẩm và tấm kẹp trên để cố định phôi tấm cần tạo hình (hình 1. Dụng cụ tạo hình có đầu hình bán cầu không có lưỡi cắt di chuyển theo quĩ đạo của biên dạng sản phẩm nhờ máy CNC hay máy chuyên dùng SPIF điều khiển.
Hầu hết các công trình nghiên cứu hiện nay đều tập trung vào SPIF do công nghệ này được xem như đại diện cho ISF [65]. Two Point Incremental Forming (TPIF): tạo hình bằng biến dạng cục bộ liên tục hai điểm, lực tạo hình tác dụng trên cả hai mặt của tấm do ngoài tấm tựa dưới như SPIF, TPIF còn cần dùng thêm dưỡng tạo phần lồi cho sản phẩm [38]. Toàn bộ đồ gá và tấm tựa dưới sẽ di chuyển xuống theo đầu dụng cụ tạo hình còn dưỡng tạo phần lồi thì cố định trên bàn máy (hình 1. TPIF có thể tạo hình tấm vừa lõm vừa lồi nhưng cần phải chế tạo thêm dưỡng và đồ gá phải có chuyển động lên xuống cùng với dụng cụ.
Luận án chỉ tập trung nghiên cứu phương pháp SPIF do phương pháp này đại diện cho công nghệ ISF: không cần dùng khuôn và có đồ gá đơn giản. 2 (a) Sơ đồ tạo hình tấm bằng SPIF (b) Sơ đồ tạo hình tấm bằng TPIF Hình 1. 2 Sơ đồ tạo hình tấm bằng SPIF và TPIF [38] Cơ sở tạo hình của công nghệ SPIF Hình 1. 3 Giản đồ ứng suất biến dạng - [33] của vật liệu dẻo Khi ngoại lực tác dụng tạo ứng suất còn trong nằm trong miền đàn hồi, tức ứng suất còn nhỏ hơn giới hạn chảy (Yield point) thì tấm có biến dạng đàn hồi, ta không thể tạo hình được vì khi bỏ lực thì tấm sẽ trở lại hình dáng cũ.
Phải tăng ngoại lực để ứng suất nằm trong vùng chảy Y < < u tức là lớn hơn ứng suất chảy Y và nhỏ hơn ứng suất phá hủy U thì tấm kim loại mới có thể biến dạng, tức là có thể tạo hình được. Ứng suất không được vượt giá trị ứng suất phá hủy U vì sẽ gây vết nứt hay gẫy vỡ trên vật liệu. Vùng ứng suất được phóng to lên trên đồ thị 1.3 là vùng chảy dẻo của kim loại, đây chính là vùng có khả năng tạo hình (góc tạo hình ) bằng biến dạng dẻo. 3 Biến dạng dẻo trong tinh thể của kim loại chủ yếu được gây ra do cơ chế biến dạng trượt mạng tinh thể.
Trượt là biến dạng trượt trong đó nguyên tử di chuyển qua nhiều lần khoảng cách giữa các nguyên tử so với vị trí ban đầu do vậy ứng suất tiếp rất quan trọng trong tạo hình bằng biến dạng dẻo. Tinh thể chứa các mặt phẳng nguyên tử phân bố đều và có tổ chức trên phạm vi lớn do đó các mặt phẳng này có thể trượt trên nhau dọc theo phương của ngoại lực tác dụng. Hệ quả là sự thay đổi vĩnh viễn của hình dạng lưới bên trong tinh thể gây nên biến dạng dẻo, không thể trở về hình dáng ban đầu. Sự tồn tại của các sai lệch làm tăng khả năng trượt của các mặt.
Nêu bên trong vật liệu có các khuyết tật thì có thể gây trở ngại cho sai lệch mạng hay ngăn chúng trượt làm biến dạng dẻo bị giới hạn vào một vùng nhất định bên trong vật liệu [33]. Tuy công nghệ tạo hình tấm ra đời trên 20 năm nay nhưng mãi đến năm 2008 thì các tác giả P. Silva mới ra một cơ sở lý thuyết [52] cho công nghệ tạo hình tấm này. Ngày nay, bài báo này được xem như là cơ sở lý thuyết của tạo hình SPIF tạm được chấp nhận, có thể tóm tắt như dưới đây: Hình 1.
4 Sơ đồ tính ứng suất tại một điểm bất kỳ [52] 4 Trong [52] các tác giả đã tính ứng suất tại một điểm bất kỳ tại vùng phẳng của tấm và vùng góc được mô tả trong hình 1.4 với các kết quả các ứng suất tại một điểm bất kỳ được các tác giả tính toán và so sánh với ứng suất gây ra do dập truyền thống các bề mặt tròn xoay, ứng suất thủy tĩnh cũng được quan tâm và được trình bày trong bảng sau [52]: Trong đó: Hệ tọa độ tham chiếu là hệ tọa độ cầu với tâm nằm trên trục đối xứng của vật tạo hình: : tọa độ góc mặt cầu trong mặt phẳng ngang, : tọa độ góc mặt cầu trong mặt phẳng đứng, t: tọa độ theo phương tiếp tuyến với mặt cầu, - Các trạng thái biến dạng tại điểm bất kỳ: d = - d >0 biến dạng trong mặt phẳng ngang của tọa độ cầu thì dương và có giá trị đối ngược lại biến dạng trong mặt phẳng đứng dt biến dạng theo phương tiếp tuyến luôn luôn âm. - Các trạng thái ứng suất tại điểm bất kỳ: 5 Ứng suất theo 3 tọa độ cầu luôn là hằng số và bằng ứng suất chính và chỉ phụ thuộc ứng suất chảyY của vật liệu tấm, bề dày tấm t (theo ký hiệu của [52]) và bán kính dụng cụ rtool mà không phụ thuộc vào tọa độ vị trí điểm đang tạo hình. Các tác giả cũng đưa ra ứng suất thủy tĩnh m trong 3 trường hợp tạo hình SIF tại vị trí phẳng, tạo hình SPIF tại vị trí các góc sản phẩm và dập truyền thống cũng đều chỉ chịu ảnh hưởng của ứng suất chảy Y của vật liệu tấm bề dày tấm t và bán kính dụng cụ rtool Nhận xét: - Ứng suất và biến dạng không chịu ảnh hưởng của chiều sâu tạo hình nên khó xác định nguyên nhân phá hủy của vật liệu. - Các thông số ảnh hưởng khác như tốc độ quay n của dụng cụ, lượng tiến xuống dụng cụ Dz và tốc độ chạy dụng cụ Vxy không thấy xuất hiện trong công thức.
- Ứng suất tại tọa độ bất kỳ (,, t) lại bằng ứng suất chính i (i=1,2,3) tại điểm đó nên ứng suất tiếp luôn bằng không tại điểm tạo hình. Mô hình tính lực thứ nhất Mô hình lý thuyết đơn giản để định các thành phần lực tạo hình trong ISF [54]. Trong phần sau đây, mô hình sau cùng được mở rộng để xem xét tính đàn hồi không đẳng hướng. Để tính toán đàn hồi không đẳng hướng, tiêu chuẩn hiệu suất bậc hai và cao hơn của Hill được sử dụng để mô tả tính không đẳng hướng này.
Hàm ước lượng thành phần tải trọng Fx và Fz được cho như sau [54]: 6 Hình 1.5 Các thành phần lực Fx >Ft(1-cosα) Fz>Ftsin λ (1.1) Ở đây Ft và λ biểu diễn lực kéo và góc tiếp xúc. Giải thích hình học của góc tiếp xúc λ được cho trên hình 2. 2) 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 đều 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: n 1 1 R a Ft 2 RK t o e x xn (1.3) 1 2R a Trong đó: R: bán kính dụng cụ tạo hình (mm). K: hệ số bền 7 Ra: thông số dị hướng của vật liệu, với vật liệu đẳng hướng Ra=1 n: số mũ to: chiều dày tấm ban đầu (mm). 1 x ln là biến dạng thực. cos αmax là góc biến dạng lớn nhất trong gia công tấm (độ).
Ft: lực kéo làm biến dạng (N). Fz: thành phần tải trọng dọc trục dụng cụ (N). Fx: thành phần lực vuông góc nằm trong mặt phẳng ngang (N).1 Mô hình tính lực thứ hai Mô hình thứ hai dùng để tính hai thành phần lực Fz, Fx được đưa ra trong [25].6 Mô hình dùng ước lượng lực dọc trục (a) và lực trong mặt phẳng ngang (b) Trong hình 1.6 (a), dụng cụ di chuyển bình thường tới bề mặt tấm, gây một biến dạng bán cầu lên bề mặt tấm; hình 1.6 (b), trong suốt quá trình biến dạng, dụng cụ di chuyển trong mặt phẳng ngang tạo ra một rãnh lõm.